800%可拉伸性，南京大學團隊發明柔性超級電容器
文 | 學術頭條，作者 |庫珀，編輯 | 寇建超
柔性電子有著廣泛的應用場景，比如一些可穿戴顯示器、生物醫學應用和軟體機器人等，如果可以彎曲、扭曲和拉伸，就能帶來特殊的功能用途或產品體驗。但有一個問題是，雖然這些設備的電路變得越來越柔韌，但為其供電的電池和超級電容器仍然是剛性的。
有沒有可能把電池和超級電容器也變成有柔性、可拉伸的？
日前，美國化學學會（ACS ）的《納米通訊》期刊報道了一種由南京大學團隊研發的柔性超級電容器，其電極由起皺的碳化鈦（一種 MXene 納米材料）制成，能在反復拉伸后保持其儲存和釋放電子電荷的能力。在實驗中，該裝置具有與其他基于 MXene 開發的超級電容器相當的高能量容量，但同時具備高達 800% 的可拉伸性，因而不會導致納米片開裂，即便在拉伸 1000 次或彎曲或扭曲后，它仍保持了大約 90% 的儲能能力。
圖 | 一種柔性超級電容器，在反復拉伸后保持其儲存和釋放電子電荷的能力（來源：Nano?Letters）
論文的通訊作者孔德圣教授目前就職于南京大學現代工程與應用科學學院，他的實驗室目前立足于發展具有優異性能和實用價值的復合電子材料以及相應的器件加工技術，輔以模擬計算等理論分析，在應用上，則專注于柔性、彈性電子器件的設計與制備，以及開發可穿戴電子設備。
圖｜孔德圣，南京大學現代工程與應用科學學院教授（來源：南京大學）
讓電池更“柔”的新路徑
不斷提高處理速度和能源效率，一直是電子技術發展的主要動力。
隨著人們對電子功能與人體的無縫集成越來越感興趣，可伸縮電子學的出現代表了一種范式轉變，兼容的電子材料和制造技術能用于創建可彎曲、扭曲、拉伸和與移動對象連接的功能設備，包括表皮傳感器、可穿戴顯示器和智能人機界面等。
在這樣的趨勢下，兼容的儲能設備，是為電子設備提供完整系統動力的不可或缺的組件，可拉伸超級電容器在快速充電/放電過程、優異的循環穩定性和方便的制造工藝方面尤其具有吸引力，已經成為軟儲能器件的主流研究方向。
在業界，一類二維過渡金屬碳化物和氮化物 MXene 被公認為電化學儲能裝置的潛在電極材料，MXene 在金屬導電性、溶液可加工性和高體積電容方面表現出一系列令人滿意的性能。
脫層 MXene 納米片通常可制備成柔性薄膜，作為超級電容器的功能電極，但 MXene 薄膜相當堅硬，在拉伸變形時容易斷裂，無法直接用于可拉伸裝置。
MXene 基復合材料的固有可變形性是通過加入聚合物和其他納米材料來實現的，以抑制相鄰納米片之間的裂紋擴展和滑移，但通常會降低材料的電存儲容量。
另一種方法則是基于 MXene 電極的皺折結構，以適應拉伸變形，拉伸變形是通過將 MXene 基薄膜轉移印刷到預拉伸彈性體上而產生，皺褶紋理的擴展有效地降低了實際應變，從而提高電化學穩定性。
圖｜可拉伸 MXene 電極的制備和表征（來源：Nano Letters）
研究人員將兩個思路優勢結合，開發了一種基于碳化鈦 MXene 電極的可伸縮超級電容器策略，在中等厚度 ～3μm 時，MXene 電極表現出良好的機電性能，承受高達 800% 的面積應變拉伸性，同時也顯示出高比表面積電容以及優異的電化學性能循環穩定性。
制備工藝與材料性能
關于制備工藝，并沒有特別復雜。研究人員通過真空輔助過濾碳化鈦 MXene 在去離子水中的膠體分散液，生成 MXene 膜，然后手動層壓到 1mm 厚丙烯酸彈性體的雙軸預應變基底上。
輕輕剝離濾膜后，MXene 膜轉移到彈性體基底上，因為 MXene 和丙烯酸彈性體之間有很強的粘合力，通過釋放拉伸應變形成可拉伸 MXene 電極。研究人員用氫氟酸將碳化鈦鋁粉末分解成薄片，并將純碳化鈦納米片層捕獲為過濾器上的粗糙紋理薄膜。
通過透射電子顯微鏡（TEM）圖像觀察，所制備的 MXene 納米片的橫向尺寸在 100-400nm 范圍內，研究人員在 0.52～6.65μm 范圍內系統地研究了 MXene 膜厚度對相應可拉伸電極的影響，通過調節 MXene 膠體分散液的濃度就能簡單控制材料厚度。
圖｜機電和電化學性能與 MXene 膜厚度的相關性（來源：Nano Letters）
MXene 膜的厚度對相應轉移電極的性能有著深遠的影響。經過多番實驗，MXene 膜的最佳厚度為～3μm，可用于后續性能研究，MXene 電極在不同掃描速率下的循環伏安圖（CV）顯示了與可逆氧化還原過程相對應的清晰陰極和陽極峰。
研究人員進一步通過恒電流充放電（GCD）測量評估電化學循環性能。在特定電流密度下進行 10000 次充放電循環后，MXene 電極仍保留 87.7% 的初始電容。GCD 曲線的微小變化進一步證實了異常的循環穩定性，在循環過程中，高庫侖效率保持在 99% 以上，這表明電容電荷存儲而非寄生反應占主導地位。
圖｜可拉伸 MXene 電極的電化學表征（來源：Nano Letters）
在機械變形性方面，研究人員測量了 MXene 電極在靜態拉伸應變下的電化學性能，在高達 800% 的面積應變下，對應 94.6% 的高電容保持率。電化學阻抗譜（EIS）曲線顯示了具有小電荷轉移電阻的類似特征（～10Ω）和低頻陡坡，與拉伸應變無關，這表明電化學性能在高度變形狀態下保持不變。
各項實驗結果顯示，出色的耐用性是 MXene 最佳厚度電極的獨特屬性。
極具競爭力的超級柔型電容器方案
基于一對 MXene 電極和特殊凝膠電解質，研究人員得以制備成全固態可拉伸超級電容器，所制備的對稱電池也具有特殊的變形能力，能適應較大的拉伸應變，在基于 MXene 的同類超級電容器中具有很強的競爭力。
由于 MXene 電極能夠抵抗機械變形，因此研究人員分析電容的微小降低可能與電極和凝膠電解質之間的界面接觸在拉伸狀態下的降解有關。
研究人員通過應變控制疲勞試驗對可拉伸超級電容器進行了進一步評估，因為除了靜態變形外，可拉伸超級電容器容納動態應變的能力對于實際應用而言至關重要，要求它能承受不同的機械載荷和意外的外部沖擊。
圖｜拉伸對稱超級電容器在靜態和動態機械變形下的電化學性能（來源：Nano Letters）
各種測試結果顯示，無論施加何種外部機械載荷，該電容器的電化學性能都非常穩定，進一步證實了具有皺褶紋理的 MXene 電極用于制造超可伸縮和大面積電容超級電容器的可行性，這可能為在可拉伸和可穿戴電子系統中使用各種二維納米材料的儲能裝置開辟出一條有吸引力的途徑。
近年來，柔性電池技術研究可以說非常熱門，也陸續有不少創新成果展現，這是邁向可伸縮的電子設備時代的標志性現象，結合一些柔性電路技術，應用前景十分廣泛。例如，有的研究已經把這類柔性電子系統集成到紡織物中、皮膚貼片傳感器中等，有的還能將人體動能轉化為微電能，實現可穿戴設備的自供電，具有柔性、可伸縮、可印刷等特點的電容器，進一步體現出電池技術發展的一些前沿趨勢。
展望未來，此類相關技術的不斷創新與應用，勢必能讓消費者未來的“電子生活”更加豐富多彩。
參考文獻：
- https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c02071
http://dskong.mysxl.cn/
更多精彩內容，關注鈦媒體微信號（ID：taimeiti），或者下載鈦媒體App
相關文章
-
10500個電極，新型視網膜植入物讓盲人“看”得更清晰
圖片來源@視覺中國文|學術頭條眼睛是心靈的窗戶，也是我們感知世界的重要器官之一。但是，全世界目前有大約3200萬盲人，如此巨大的一個數字，使得重建盲人的視覺系統成為了醫學領域重點關注的方向之一。目前，已經該有多種方式可以使視覺系統得以改善，比如通過逆轉視力受損細胞的方式使動物重見光明，以及通過腦皮層植入的方式在腦海中展現特定內容。同樣，隨著電子集成的發展，仿生眼也進入了臨床試驗階段。近日，來自瑞士...
2021-03-14 14:27:56 視網膜電極植入物 -
2021-2027中國離子選擇電化學電極市場現狀及未來發展趨勢
【報告篇幅】：92【報告圖表數】：147【報告出版時間】：2021年1月【報告出版機構】：恒州博智(QYR)電子及半導體研究中心2020年中國離子選擇電化學電極市場規模達到了XX億元，預計2027年可以達到XX億元，未來幾年年復合增長率(CAGR)為XX%(2021-2027)。本報告研究中國市場離子選擇電化學電極的生產、消費及進出口情況，重點關注在中國市場扮演重要角色的全球及本土離子選擇電化學電...
2021-01-26 13:02:14 電化學電極離子 -
小龍蝦殼能干啥? 專家用它制備高性能電極材料
記者從中國科學技術大學獲悉，該校朱錫鋒教授團隊近期提出一種新方法，采用農林廢棄物熱解獲得的重質生物油和廚余垃圾中的小龍蝦殼，通過簡單的合成即可制備成高性能超級電容器的電極材料。...
2020-12-30 12:51:53 電極電容器多孔 -
熊文明: 隔膜戰爭–「第三電極」的突圍 |2020-6-30
在新能源戰爭中，眼看著中國鋰電池公司一家家坐大，不甘心的美國人開始打起了電池內部的主意。?2019年10月30日，曾經的鋰電池隔膜巨頭Celgard，在美國聯邦加州北部地區法院奧克蘭分部，起訴中國深圳星源材質及其子公司「星源美國研究院」。訴訟理由為：?「侵犯其專利權、侵害商業秘密、不正當競爭、誘導違約以及蓄意干擾潛在經濟關系。」?盡管三個多月后被美國當地法院駁回，但長篇肥皂劇般的「訴訟風云」并未因此消停。畢竟，對于Celgard公司來說，現在能做的正經事也不多了。在曾經引以為傲的干法隔膜領域，Celgar...
2020-06-30 15:03:05 隔膜中國鋰電池
| 留言與評論（共有 0 條評論） |
