基于褶皱立式碳纳米管阵列的高可拉伸性能超级电容器

  近日,美国密西根州立大学曹长勇课题组和杜克大学Jeff Glass课题组及华中科技大学臧剑锋课题组合作,首次利用机械失稳机制制备了基于褶皱立式碳纳米管阵列“森林”(Crumpled CNT-forest)的高性能可拉伸电极超级电容器,为制备新的高性能可拉伸能源器件和可拉伸电子系统提供了新的思路和方法。

    可拉伸电子器件,如压力传感器、应变传感器、温度传感器、发光二极管、表皮电子和集成电路等,因其在新兴的可穿戴设备、生物医疗设备、表皮电子和生物集成电子器件中的广泛应用而受到越来越多的关注。这些器件必须承受大的变形并适应复杂的表面形貌,同时保持其正常的功能和良好的可靠性。为了将这些可拉伸电子设备完美的集成到独立的自供电可拉伸电子系统中,研发高可靠性的可拉伸的能量存储和转换装置就变得至关重要。

    与电池相比,超级电容器以其高充放电速率,高功率密度,长使用寿命和适中能量密度等优点,受到越来越多的关注并已得到广泛地应用。目前,大多数可拉伸超级电容器仅能在单一方向拉伸,而在多向拉伸载荷下仍能保持稳定性能的超级电容对许多应用来说非常重要。另外,大多数基于薄膜的可拉伸超级电容器的拉伸性能由于受到制造过程设定的预应变的限制,当收到的拉伸应变大于预设应变时,会很容易损损。

    在本研究中,研究人员基于皱折立式碳纳米管阵列森林(crumpled CNT-forest),开发出一种新型高度可拉伸的超级电容器。该工作通过干法转移方法来制备褶皱CNT“森林”阵列。在制备过程中CNT“森 林”阵列的多孔结构可以被完整的保留,在纳米和微米尺度上形成独特的多层次结构。CNT“森林”阵列顶部的网状结构以及物理接触让褶皱CNT“森林”阵列保持了良好的导电性能。该方法制备的电极和电容器,在经历数千次单向或双向拉伸 – 松弛循环荷载后,仍能保持良好的电化学性能和器件稳定性。制备的双向可拉伸超级电容器可以承受800%的面应变,并且在50mV/s的扫描速率下达到5mF/cm2的比电容。此外,皱褶的CNT-forest电极可以方便地用喷涂的金属氧化物纳米颗粒直接修饰,进一步提高超级电容器的比电容和能量密度。该制备方法并不局限于纳米管材料,也可用于其他材料如纳米线等其他新材料,为研制新的可拉伸能量装置提供了另一种策略,将在柔性可延展电子系统和可穿戴电子系统中得到更广的应用。以上相关成果发表在国际顶级期刊 Advanced Energy Materials。论文共同第一作者为美国密西根州立大学曹长勇教授和杜克大学周逸豪博士,通讯作者为密西根州立大学曹长勇教授和杜克大学Jeff Glass教授。华中科技大学臧剑锋教授、美国海军研究所Stephen Ubnoske博士和杜克大学Charles Parker,Philémon Henry等为论文共同作者。

基于褶皱立式碳纳米管阵列的高可拉伸性能超级电容器 图1. 基于褶皱CNT“森林”阵列电极的制备。a)利用PECVD生长的CNT阵列制备可拉伸超级电容器电极的制造流程示意图;b)在硅晶片上生长出的CNT-森林的扫描电镜(SEM)图像。生长时间5分钟,CNT的平均高度约20μm,比例尺为10μm;c)释放单向预拉应变后CNT阵列在弹性体基底上形成的平行脊形形貌;d)由CNT阵列森林在完全松弛的弹性体基材(300%×300%)上形成的皱折形貌 (双向预拉伸),比例尺为100μm。

基于褶皱立式碳纳米管阵列的高可拉伸性能超级电容器图2.在单向预拉应变下(300%)制备的褶皱CNT阵列森林电极的电化学性能。a)不同测试扫描速率下可拉伸电极的C-V曲线;b)在不同电流密度下测量的恒电流充电/放电曲线;c)50mV/s的扫描速率测量得到的,不同应变状态下可拉伸电极的C-V曲线;d)在0.5mA/cm2下测量的不同应变状态下同一电极的恒电流充电/放电曲线。e)同一可拉伸电极在0%至300%的不同应变下的奈奎斯特阻抗图;f)当受到不同的单轴应变时,在不同的充电/放电电流密度下测量的比电容的变化(1.0M KCl电解质溶液)。

基于褶皱立式碳纳米管阵列的高可拉伸性能超级电容器图3.在双向预拉应变下(300%×300%)制备的褶皱CNT阵列森林电极的电化学性能。a)不同测试扫描速率下可拉伸电极的C-V曲线;b)在不同电流密度下测量的恒电流充电/放电曲线;c)100mV/s的扫描速率测量得到的,不同应变状态下可拉伸电极的C-V曲线;d)在0.5mA/cm2下测量的不同应变状态下同一电极的恒电流充电/放电曲线。e)同一可拉伸电极在不同应变下的奈奎斯特阻抗图;f)当受到不同的双向应变时,在不同的充电/放电电流密度下测量的比电容的变化(1.0M KCl电解质溶液)。

基于褶皱立式碳纳米管阵列的高可拉伸性能超级电容器图4.在反复的电化学和机械载荷下,可拉伸褶皱CNT森林电极的电化学性能。a)无应变条件下褶皱CNT森林电极重复充电/放电10,000次的归一化电容变化情况。b)在机械拉伸-松弛1200个循环中,双向可拉伸褶皱CNT森林电极的归一化电容变化,每个循环的单轴应变高达300%;c)循环拉伸-松弛200, 600和1200次时,可拉伸电极的奈奎斯特图,插图是提取的相应的薄膜电阻。

基于褶皱立式碳纳米管阵列的高可拉伸性能超级电容器图5. 由褶皱CNT森林电极和聚合物凝胶制备的可拉伸全固态超级电容器的性能。a-b)在无应变的条件下,不同扫描速率测得的超级电容器的C-V曲线和不同电流密度下的充电/放电曲线;c)在不同应变条件下,以50mV/s的扫描速率测量的超级电容器的C-V曲线;d)在单向0%到300%应变下,以0.2mA/cm2电流密度测得的充电/放电曲线;e)可拉伸超级电容器在0%至300%的不同应变下的奈奎斯特阻抗图。f)在不同电流密度和不同应变下测量的超级电容器的比电容。g)不同应变下,超级电容器的泄漏电流测量。h)在预充电到最大电压0.8V后,超级电容器的自放电曲线。i)通过超级电容器的充电/放电在1mA/cm2下进行10,000次循环测量得到的归一化电容变化。基于褶皱立式碳纳米管阵列的高可拉伸性能超级电容器图6. 基于Crumpled CNT-forest的全固态可拉伸超级电容器与文献中报道的其他基于CNT的超级电容器的性能比较。包括可拉伸的CNT纤维线形超级电容器,屈曲的SWNT超级电容器,选择性润湿诱导多壁碳纳米管超级电容器, CNT/离子凝胶超级电容器,PDMS包裹的直立CNT可拉伸超级电容器等。

Changyong Cao, Yihao Zhou, Stephen Ubnoske, Jianfeng Zang, Yunteng Cao, Philémon Henry, Charles B. Parker, Jeffrey T. Glass, Highly Stretchable Supercapacitors via Crumpled Vertically Aligned Carbon Nanotube Forests, Adv. Energy Mater., 2019, DOI:10.1002/aenm.201900618

本文由能源学人编辑zhangjunbo555发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/23923.html

参考文献:Adv. Energy Mater.