麻省理工《先进材料》：超高面电容柔性超级电容器电极

来源：高分子科学前沿

可穿戴柔性电子产品（可卷曲显示、可弯折晶体管、电子纸、可穿戴传感器）的需求日益增长，大大刺激了柔性储能器件的发展。超级电容器是其中最有希望的，它比电池拥有更高的功率密度，比传统电容器拥有更高的能量密度，很好的填补了电池和电容器之间的沟壑。

在现有的构筑超级电容器柔性电极的策略中，微/纳复合填料通常是随机的分散在柔性基体中，然而研究表明这种随意的结构会致使离子传输路径曲折，妨碍离子传导，尤其是在高电流密度下。此外，现今研究中大量使用的赝电容材料导电聚合物（PEDOT、PANI、PPY）通常是采用电化学沉积的湿法工艺制备，该法中溶剂的引入与使用会对电子设备系统的集成与纳米结构电极的形貌产生不利影响。

基于以上问题，美国麻省理工学院Brian L.Wardle教授团队采用两步法设计与筑造了高柔性、致密、水平排列的碳纳米管（HACNT）阵列/共形涂覆聚三甲基噻吩（P3MT）导电聚合物（P3MT/HACNT），作为超级电容器的电极，它具有可调控的纳米多孔形貌。其设计与构筑过程如图1所示。

图1. 基于HACNTs与共形P3MT制备的赝电容电极：a P3MT/HACNTs复合电极的制备工艺；b P3MT的化学结构式；c-d 柔性电极弯曲和卷绕展示光学图像。

如图2和图3所示，最终所得的P3MT/HACNT纳米复合电极在5 mA cm-2时展现出3.1 F cm-2的高面电容，即便电流密度增加至200 mA cm-2，面电容也可以达到1.8 F cm-2。相对于目前最先进的，无论是在面电容还是在功率密度上，该非对称超级电容器都可以提供超过1-2数量级的性能提升。此外，在高应变下电容器的性能几乎没有衰减，展现了电极良好的机械和电化学稳定性。

图2. 基于P3MT/HACNT和HACNTs电极的非对称超级电容器的电化学性能：a 非对称超级电容器的结构图；b 不同扫描速率下的CV曲线；c 不同电流密度下器件的恒电流充放曲线；d 不同电流密度下器件的面电容；e 本论文与其他人工作的对比图。

图3. 非对称超级电容器的弯曲试验：a 平整和弯折状态；b 双电极测量法对比100mV s-1下器件平整和弯折状态的CV曲线；c 器件平整与弯曲状态时的Nyquist图；d 每1000次弯曲循环试验。

该工作近期以“Ultrahigh-Areal-Capacitance Flexible Supercapacitor Electrodes Enabled by Conformal P3MT on Horizontally Aligned Carbon-Nanotube Arrays”为题报道在国际著名期刊Advanced Materials上。