可穿戴和可拉伸電子器件的飛速發(fā)展推動了對可拉伸儲能設(shè)備如可拉伸超級電容器的需求。盡管近年來可拉伸超級電容器的制作取得了一些進(jìn)展，但目前的可拉伸電容器主要通過預(yù)先設(shè)定結(jié)構(gòu)化電極（波浪形、橋接電極、線狀電極）來實現(xiàn)。而預(yù)先設(shè)計的策略不僅制作過程繁瑣，且一旦成型，結(jié)構(gòu)和外形就不可改變。這樣的策略使得這些超級電容器無法在器件水平上進(jìn)行編輯和程序化設(shè)計，即無法即時地根據(jù)可穿戴的需求進(jìn)行實際設(shè)計，不利于可拉伸超級電容器與人體以及其他可拉伸電子器件的匹配。此外，傳統(tǒng)的可拉伸超級電容器在長期拉伸過程中，由于各類微型電極與對稱電極或凝膠電解液間的錯位還會導(dǎo)致超級電容器整體性能的快速退化。
有鑒于此，新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東課題組開發(fā)了一種形狀和拉伸性能可控的新型可編輯電容器。通過直接賦予柔性超級電容器可編輯性，超級電容器可根據(jù)設(shè)計需求即時獲得所需的形狀和拉伸性能。該可編輯超級電容器實現(xiàn)的關(guān)鍵在于使用機械強化的MnO2納米線復(fù)合電極。電極制作具體過程為通過旋轉(zhuǎn)水熱合成的超長MnO2納米線（MNWs），其與碳納米管（CNTs）超聲混合并抽濾成自支撐柔性電極，再在復(fù)合電極兩側(cè)抽濾沉積納米纖維素（NCFs）薄膜形成三明治電極夾層結(jié)構(gòu)。研究表明長MnO2納米線交織結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定電極彎曲、剪切、拉伸時的電化學(xué)性能，同時納米纖維素層能夠有效地避免剪切過程中造成的電極短路。
該可編輯電容器在形狀構(gòu)建上有很大的自由度，用戶可根據(jù)自己的需要設(shè)計所需的形狀和拉伸結(jié)構(gòu)。蜂窩狀結(jié)構(gòu)編輯的超級電容器可在拉伸至500%條件下實現(xiàn)電容器性能基本不變（面積電容為227.2 mF/cm2，通過垂直堆疊面積電容可提升至1000 mF/cm2以上）。同時，在10000次400%的循環(huán)拉伸下，超級電容器仍然能保持98%的面積比電容。此外，除了蜂窩狀結(jié)構(gòu)之外，其他2D和3D結(jié)構(gòu)也可以輕松實現(xiàn)，如窗花結(jié)構(gòu)，以及交替切割形成的金字塔結(jié)構(gòu)。其中，金字塔結(jié)構(gòu)可與3D彈性物體保形接觸，若將四個金字塔狀的超級電容器連接在一起，還可進(jìn)一步編輯具有可逆拉伸的彈簧狀超級電容器。
作為系統(tǒng)集成穩(wěn)定性的示例，該可拉伸超級電容還與拉力傳感器集成進(jìn)行測試。在運動拉伸狀態(tài)下，該電容器仍然能保持與非運動狀態(tài)下大體一致的信號輸出，表明可編輯超級電容器穩(wěn)定的機械和電化學(xué)性能。該可拉伸的、極易程序化的、并且可在串并聯(lián)條件下編輯成任意形狀的超級電容器將能做成各類時尚的儲能器件用于驅(qū)動各類便攜、可拉伸和可穿戴電子器件。
相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201704531)上，并于當(dāng)期Front Cover做簡要介紹。
論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704531/abstract
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