一种基于面粉的具有本征自愈合,自愈合后拉伸和生物降解性能的一站式超级电容器

本文亮点:
1. 一站式电容器中的电极和电解质使用了面粉作为主要材料,并且具有在室温下本征自主自愈合,自愈合后可拉伸和生物可降解等优点。
2. 一站式超级电容器展示了优异的本征自愈合性能 (在40次本征和自主的自愈合过程中保持着约100% 愈合效率),愈合后可拉伸的性能 (本征愈合后可承受50%的拉伸形变),和生物可降解性能。同时,使用原料少,制备方法简便。
3.  一站式超级电容器在完全使用后可以在环境中被分解,实现了来源于自然,高于自然和回到自然的绿色过程。
【前沿部分 】
电子纺织品和电子皮肤等柔性和可植入电子产品的不断发展迫切需要能量存储设备的快速发展。作为一种重要的储能器件,超级电容器因其快速充放电速率,高功率密度和长循环寿命受到了广泛关注。在实际应用中,具有本征自愈合,自愈合后拉伸和生物降解性能的超级电容器对于柔性和可植入电子设备是非常需要的。
为了实现超级电容器的自愈合性能,通过各种电极,电解质和/或基板的设计,已经有大量精力投入进来制造各种非自主和自主,非本征和本征自愈合超级电容器。在所有这些工作中,最大的切割/愈合次数仅为20次,并且是在非自主和本征的自愈合的超级电容器中实现的。对于自愈后的可拉伸性而言,至今完成的研究工作非常少。同时,对使用过的超级电容器的后期处理研究较少,因为大多数电解质和电极都是不可生物降解的,这极大地增加了我们环境的负担。
因此,为了实现超级电容器的本征自愈合,自愈合后拉伸和生物降解性能,电解质和电极都要是可以本征自愈合和可生物降解的。考虑到面粉是可以本征自愈合和可生物降解的,它非常适合作为超级电容器的电极和电解质材料的组分。最近,哈尔滨工业大学(深圳)的黄燕教授课题组通过使用面粉作为电解质和电极的主要材料, 创造性地制备了一站式多功能超级电容器。它具有优异的本征自愈合性能(40次愈合过程中保持着约100% 的愈合效率),自愈合后拉伸性能(愈合后可承受50%的拉伸形变)和完全利用后生物可降解的优异性能。它实现了来源于自然,高于自然和回到自然的绿色过程,对于环境保护也具有重大意义。该文章发表在国际知名期刊Energy Storage Materials上,第一作者胡萌萌。一种基于面粉的具有本征自愈合,自愈合后拉伸和生物降解性能的一站式超级电容器 【核心内容】
如图1a所示,使用面粉和磷酸与氯化钠的混合溶液制备出了电解质;使用面粉,活性炭和磷酸与氯化钠的混合溶液制备出了电极。所制备的电解质和电极具有优异的拉伸性能和本征自愈合性能(图2a 和2b)。一种基于面粉的具有本征自愈合,自愈合后拉伸和生物降解性能的一站式超级电容器
图1. 超级电容器的制备示意图。(a)电极和电解质的制备过程。(b)电容器的本征自愈合和在自愈合之后的拉伸过程。(c)完全使用过的块状电容器在模拟胃液或土壤里分解成碎块的过程。一种基于面粉的具有本征自愈合,自愈合后拉伸和生物降解性能的一站式超级电容器
图2. 电解质和电极的物理化学表征。(a) i 电解质的拉伸过程; ii 电解质经历成型,切割,愈合,重新成型和拉伸的过程。(b)i电极的拉伸过程; ii 电极经历成型,切割,愈合,重新成型和拉伸的过程。(c)面粉的SEM图,比例尺: 10 µm。(d)活性炭的SEM图,比例尺: 10 µm。(e)面粉和活性炭的拉曼谱图。
由具有本征自愈合性能的电极和电解质所组成的超级电容器的CV和GCD曲线表明了它具有快速可逆的电化学性质(图3a和3b)。在40次的重复切割/愈合过程中,每次本征自愈合后的CV曲线和本征自愈合前的CV曲线重合度很高,电化学性能变化很小,实现了高水平的愈合效率(图3c)。这些愈合次数和效率是目前所报导的文献中次数最多和最好的。在超级电容器经历了切割/愈合后,在不同的拉伸应变下,它的电化学性能发生了微小的下降,这是由于超级电容器导电率微小下降引起的(图3d)。该超级电容器在模拟胃液中,经过数十天之后,从块状变成了粉末状;在土壤中,经过一段时间后,也从一整块状变成了很小的碎块,这个过程也伴随着它的电化学性能的下降。这个多功能的一站式超级电容器实现了来源于自然,高于自然和回到自然的绿色过程,具有重要的环境保护意义。一种基于面粉的具有本征自愈合,自愈合后拉伸和生物降解性能的一站式超级电容器
图3. 超级电容器的电化学性能。(a)在10 到 1000 mV/s扫描速率下的CV曲线。(b)从5 到 20 µA的GCD 充放电曲线。(c)从0到40次切割/愈合的CV曲线。(d)在愈合后从0%的应变到50%应变下的GCD曲线。(e)本征愈合前,愈合后和愈合后不同应变下的照片。
一种基于面粉的具有本征自愈合,自愈合后拉伸和生物降解性能的一站式超级电容器
图4. 超级电容器在(a) 模拟胃液和(b)土壤中的分解情况。
材料制备过程
电解质,电极和超级电容器的制备。首先,用100g去离子水,20g氯化钠和20g磷酸制备混合溶液。 通过将7.5mL溶液加入10g面粉中来制备电解质。 通过将5mL溶液加入由1g活性炭和3g面粉组成的均匀混合的混合物中来制备电极。在制备电解质和电极后,将它们分别放入自制的模具中,以获得宽度为1厘米,厚度为1mm的长方体电解质和宽度为1厘米,厚度为3mm的长方体电极。然后将它们组合在一起来制备一站式超级电容器。
Mengmeng Hu, Jiaqi Wang, Jie Liu, Panpan Wang, Yuping Feng, Hua Wang, Ningyuan Nie, Yueyang Wang, Yan Huang, A flour-based one-stop supercapacitor with intrinsic self-healability and stretchability after self-healing & biodegradability, Energy Storage Mater., DOI:10.1016/j.ensm.2018.12.013

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参考文献:Energy Storage Mater.