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北理工张志攀/清华曲良体《EES》:新纪录!-30°C下可拉伸的超级电容器!

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高分子科学前沿 2021-04-15 13:36

可拉伸超级电容器(SSCs)因其高功率密度、快充放电速率和长循环寿命而被广泛研究。迄今为止,大多数SSC都在具有预定义可拉伸结构的电极上工作,例如波浪形,桥岛形,孔形,螺旋形和弹簧形。不幸的是,它们通常会遭受预先设计电极与凝胶电解质之间的机械失配,或者由于添加额外可拉伸基材而没有电容贡献而导致体积/质量增加的问题。此外,随着传统水凝胶电解质在冰点以下逐渐冻结,SSC在低温(如-30℃)下往往会失去柔性和延展性。

最近,基于乙二醇(EG)/水(W)或二甲基亚砜(DMSO)/水(W)的有机水凝胶电解质被用于制备防冻SC,因为EG和DMSO都能降低水的饱和蒸气压以降低其冰点并抑制冰微晶的形成。然而,含有有机水凝胶电解质的SC通常在零下温度下不可拉伸。因此,实现低温可拉伸超级电容器取决于以下先决条件。首先,电极和电解质在低温下都是可拉伸的。其次,在电极/电解质界面上存在强附着力以防止拉伸过程中的分层。最后,电极和电解质应具有良好的抗冻能力,以便在低温下稳定输出能量。

鉴于此,北京理工大学张志攀教授、清华大学曲良体教授首次以交联聚丙烯酰胺(PAM)网络为基础,在EG/W/H2SO4浸渍的抗冷冻有机水凝胶聚电解质上,通过一步原位生长聚苯胺(PANI)电极,首次制备了一种抗冻和高拉伸性超级电容器(AF-SSC)。与传统通过人工组装正负电极材料和电解质来制造超级电容器的方法不同,当前的方法促进了电极和电解质之间的完全接触,并显着降低了离子传输的界面电阻。同时,得益于其整体结构,当电流器件经受诸如弯曲、扭曲和拉伸之类的大变形时,仍可提供稳定的能量输出。此外,与采用额外可拉伸基材或预定可拉伸结构制备的常规SSC相比,当前器件更易于制造且更易于控制。

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文章亮点:

1、由于PANI电极嵌入聚电解质中的固有可拉伸性和有机水凝胶PAM聚电解质的抗冻性,制备的AF-SSC在-30℃下拉伸200%时仍可保持89.4%的电容

2、得益于其集成结构具有高效的电子/离子传输功能,该器件具有优良的倍率性能,当电流密度增加20倍时,在-30℃时,电容保持率达到73.1%优于先前报道的室温下基于赝电容材料的可拉伸SC

3、在50 mV s-1和-30℃下循环100000次后,该装置显示出具有91.7%电容保留的超长寿命,超过了先前报道的所有可拉伸SC

图1 AF-SSC的制备和示意图

图2 AF-SSC的结构表征、粘接性能、抗干燥性能和室温电化学性能

图3 AF-SSC在大变形/复杂变形下的电化学性能

图4 AF-SSC的防冻性能

原文链接:

https://doi.org/10.1039/D0EE04066E

来源:高分子科学前沿

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