尽管柔性电子器件如分布式传感器、柔性显示器、电子皮肤等正日益接近人们的生活,但是有关驱动这些柔性电子产品的柔性电源方面的研究却远远落后。超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储器件,具有高功率密度、充放电循环寿命长、快速充放电、使用温度范围宽、安全性高等特点,是我国中长期科学技术发展规划中要解决的前沿技术之一。与液态超级电容器相比,全固态超级电容器具有安全系数高、结构简单、易于封装等特点,在可穿戴式电子产品中具有广泛的应用前景。
纳米能源技术与功能器件研究团队的周军教授研究组与王中林教授及材料科学与工程学院黄云辉教授等人合作开展了基于纸的全固态柔性超级电容器研究工作。博士后袁龙炎及博士研究生肖旭等人首先将普通的打印纸功能化,然后利用电子束蒸发一层金薄膜作为电极,再通过电化学沉积法沉积聚苯胺纳米线薄膜,结合凝胶电解质制备出纸质柔性超级电容器。测试表明,固态器件的重量仅为60 mg,面积电容约为50 mF/cm2,将6个器件串联起来足以点亮一个蓝光LED。固态器件秉承纸的柔性,在不同弯折条件下器件性能保持稳定。在上述基础之上,他们还将商用柔性压电陶瓷所产生的电能存储在纸基全固态柔性超级电容器中,实现了对他们前期所研究的应变传感器(Adv. Mater., 2011, 23, 5440-5444)的驱动,构建了集能量收集、存储及驱动为一体的自驱动系统。该工作于近日正式发表在德国应用化学上(Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51, 4934-4938),并被编辑选为Hot Paper。
图1 (a)上图:全固态超级电容器结构示意图;下图:全固态超级电容器正常(左)弯曲(右)情况下的光学片。(b)全固态超级电容器的循环伏安特性线。 (c)超级电容器经由压电陶瓷充电的曲线。(d)应变传感器分别在直流电压和超级电容器驱动下的响应曲线。
为了进一步降低制备柔性超级电容器的制作成本,他们与中山大学童叶翔教授及陈建教授、重庆大学胡陈果教授以及佐治亚理工学院王中林教授研究组合作,利用简单的酒精火焰法在柔性高导电的碳布上先生长一层高比表面积的碳纳米颗粒,然后通过电化学沉积的方法生长二氧化锰纳米线,获得了二氧化锰纳米线/碳纳米颗粒/碳布复合电极材料,在此基础上的制备出全固态柔性超级电容器。该研究工作已经正式发表在ACS Nano, 2012, 6, 656-661。该工作一经发表即受到国际同行的关注,美国化学学会《化学与工程新闻》(Chemical and Engineering News)在2012年1月5日以“ A Flexible Power Source From Soot”为题专门对该工作予以报道和介绍。国际公认石墨烯研究先驱、美国得克萨斯大学奥斯丁分校Rodney Ruoff教授以“ Solid Performance”来评价本研究工作。
图2 (a) 生长在柔性碳布上的二氧化锰/碳纳米颗粒的SEM图;(b)柔性固态超级电容器可被弯折和卷曲(上图),三个电容器串联点亮红色二极管的光学照片(下图); (c) 柔性固态超级电容器在不同弯曲角度下的循环伏安特性曲线。
上述研究工作得到了国家自然科学基金、科技部973计划、全国优秀博士学位论文作者专项基金、教育部新世纪优秀人才支持计划、中国博士后科学基金等基金的支持。
(责任编辑:陈智敏)