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基于一体化纤维的可拉伸纤维状串联超级电容器组

高能量密度和高电压输出的可拉伸纤维状电容器(SFSSs)作为可穿戴电子设备的供电系统,正在对我们的生活产生革命性的影响。然而,在实际应用中,对于兼具高能量密度和高拉伸性能等优点的纤维状超级电容器的实现仍然存在极大的挑战。

最近,中国工程物理研究院化工材料研究所的程建丽王斌研究员和复旦大学彭慧胜教授合作,利用湿法纺丝PEDOT:PSS结合浓硫酸后处理的方法成功制备了一体化的纤维状电极材料PEDOT-S:PSS,不仅具有类似导线的高电导率,同时能够作为赝电容电极材料储能。利用PEDOT-S:PSS作为内置导线和电极材料,组装串联的可拉伸纤维状电容器(12.8V,T-SFSSs),能量密度高达41.1 μW h cm-2即使在拉伸率高达400%时,容量没有呈现明显地衰减(对于1.6V的单器件,在拉伸高到800%,容量也无明显变化)。同时,作者也通过机理分析发现,酸处理不仅显著去除了PEDOT:PSS中的亲水相PSS,而且PEDOT在酸处理时发生结构重排,大幅提高了其电导率、机械强度和电化学稳定窗口,从而使其同时具有高的柔性和电化学性能。该文章发表在国际顶级能源期刊Nano Energy(影响因子:12.343)。

基于一体化纤维的可拉伸纤维状串联超级电容器组

图1. (a) PEDOT:PSS和PEDOT-S:PSS纤维经过酸和不同溶剂处理之后的关于直径,拉伸强度,拉伸率,和电导率的三维柱状图(样品 PEDOT-S:PSS-#1-8),(b-g) PEDOT:PSS和PEDOT-S:PSS纤维在经过酸处理不同时间之后的SEM图(样品 PEDOT-S:PSS-#1-6),(h) PEDOT-S:PSS纤维只用异丙醇预处理的SEM图 (样品 PEDOT-S:PSS-#7),(i) PEDOT-S: PSS纤维只用乙二醇预处理的SEM图 (样品 PEDOT-S:PSS-#8),(j) PEDOT-S:PSS纤维打结的SEM图,(k)连续湿法纺丝酸处理后的PEDOT-S:PSS纤维的图片,(l, m) PEDOT-S: PSS纤维的透射电镜图和选区电子衍射图。

基于一体化纤维的可拉伸纤维状串联超级电容器组

图2. (a) 制备PEDOT-S:PSS 基串联的可拉伸纤维状电容器(T-SFSSs)的示意图,(b) T-SFSSs点亮一个商业化的 USB灯的图片。插图为用两根缠绕的PEDOT-S:PSS 纤维连接USB灯的图片,(c) 三个串联的SFSSs通过内置连接的T-SFSSs点亮五个LED灯,(d, e) 三个并联的T-SFSSs编织在一个织物中可以点亮一个商业化的电子手表,每一个T-SFSSs由三个SFSSs串联组成,(f)两个SFSSs串联连接而成的T-SFSSs从0%拉伸到400%时仍然可以点亮一个绿色的LED灯。

基于一体化纤维的可拉伸纤维状串联超级电容器组

图3.T-SFSSs电化学性能的表征 (a,b)八个SFSSs 串联而成的T-SFSSs的示意图和图片,(c) 八个SFSSs串联连接而成的T-SFSSs从0%拉伸到400%的图片,(d) 一,二,四和八个SFSSs 串联而成的T-SFSSs在电流密度为1 mA cm−2的GCD曲线图,(e)一,二,四和八个SFSSs 串联而成的T-SFSSs在扫速为50 mV s−1的CV曲线图,(f) 输出电压和容量与串联器件个数的曲线图,(g) 一,二,四和八个SFSSs 串联而成的T-SFSSs 的阻抗图谱,(h) 八个SFSSs串联连接而成的T-SFSSs从0%拉伸到400%的GCD曲线图, (i) 八个SFSSs串联连接而成的T-SFSSs从0%拉伸到400%的容量保持率的曲线图。

基于一体化纤维的可拉伸纤维状串联超级电容器组

图4. PEDOT-S:PSS 纤维经硫酸处理后的结构重排机理示意图。

基于高度结晶的一体化聚合物纤维电极,用一种新型的内部串联的方法组装的可拉伸的纤维状电容器。八个SFSSs串联的而成的T-SFSSs的输出电压高达12.8V,当功率密度为3520 μW cm-2时的能量密度高达41.1 μW h cm-2,当拉伸率为400%时,八个串联的电容器没有明显的容量衰减。这个工作提供了一种新的柔性纤维状电极,同时具备了了导线和储能两种功能,而且为柔性供电系统提供一种新的概念,可以将电容器整合或者编织到可穿戴设备和便携电子器件中

参考文献

Zhuanpei Wang,Jianli Cheng, Qun Guan, Hui Huang, Yinchuan Li, Jingwen Zhou, Wei Ni, Bin Wang,Sisi He, Huisheng Peng. All-in-one fiber for stretchable fiber-shaped tandemsupercapacitors, Nano Energy, 45 (2018), 210-219, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.12.054

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