清華曲良體教授&北理工張志攀團隊

　　Energ. Eeviron. Sci.：可在-30℃下拉伸的超級電容器

　　【引言】

　　可拉伸超級電容器(SSCs)因其功率密度高、充放電速率快和循環壽命長等特點，已被廣泛研究，以滿足電子紡織品、電子皮膚和可穿戴式健康顯示器等可拉伸電子產品的迫切需求。如今，大多數SSC的拉伸特性都需要借助電極的可拉伸結構才能實現，例如波浪形，橋島形，蜂窩形，螺旋形和彈簧形。遺憾的是，預先設計的電極和凝膠電解質之間通常會遭遇的機械不匹配等問題，此外，沒有容量貢獻的額外的可拉伸基底的添加也會導致整個器件的體積/質量增加。另外，為了克服傳統的基于聚乙烯醇(PVA)電解質和電極的超級電容器(SC)拉伸性差的問題，人們開發了具有可編輯性的超級電容器(SC)，但這些超級電容器無法承受垂直于應變方向的大而復雜的變形。同時，它們仍然采用傳統的夾心式結構，將單獨制備的電解質和電極進行組裝，這樣容易在大變形下發生滑動和分層。為了解決這些問題，構建基于本征可拉伸電極和電解質的集成化SSC是至關重要。另一方面,目前很少有研究報道SSCs在零度以下的溫度下進行測試,因為傳統水凝膠電解質中的水含量凍結會顯著限制離子傳輸,隨著傳統水凝膠電解質在冰點以下的逐漸凍結,SSCs往往會在-30

　　℃的低溫條件下失去彈性和可拉伸性,甚至很少有可靠的方法被提出來解決SSCs在這些情況下拉伸性差的問題。最近，基于乙二醇(EG)/水(W)或二甲基亞砜(DMSO)/水(W)的有機水凝膠電解質已被用于制造抗凍SCs或微型SCs，因為EG和DMSO都能降低水的飽和蒸汽壓，從而降低其冰點，抑制冰晶的形成。然而，有機水凝膠電解質的SCs通常不能在零下溫度下拉伸，因此，低溫可拉伸超級電容器的實現取決于以下條件。首先，電極和電解質在低溫下都是可拉伸的。其次，電極/電解質界面存在較強的附著力，以防止在拉伸過程中出現分層。最后，電極和電解質都應該具有優良的抗凍能力，以便在低溫下提供穩定的能量輸出。

　　【成果簡介】

　　近日，在清華大學曲良體教授和北京理工大學張志攀教授（共同通訊作者）團隊等人帶領下，以含有乙二醇/水/H2SO4的交聯聚丙烯酰胺凝膠電解質為原料，在其表面原位生長聚苯胺，制備了一種具有防凍、高拉伸性的超級電容器（AF-SSC）。在這個設計中不需要額外的引入可拉伸基底(如彈性纖維、聚二甲基硅氧烷、橡膠等)或預定義的可拉伸結構(如螺旋形、彈簧、褶皺、蜂窩結構等)。所制備的AF-SSC在?30℃表現出200%的高可拉伸性能，并且在100%的拉伸條件下，可以重復拉伸100次且無明顯的電容損耗。此外，當電流密度增加20倍時，在?30°C下，電容保留率達到73.1%，遠高于室溫下使用贗電容材料制備的可拉伸超級電容器。此外，該器件在?30°C下循環10萬次后，電容保持率達到91.7%，展現出超長的循環壽命，優于之前報道的所有可拉伸超級電容。此外，該器件還具有高的可壓縮性、可粘貼性、可加工性以及抗干燥性能等優點，是一種在現實生活中可驅動多功能電子元器件的理想電源。該成果以題為“Stretchable supercapacitor at -30℃”發表在了國際頂級雜志Energ. Eeviron. Sci.上。本論文的第一作者為北京理工大學博后靳緒庭和宋麗。