可全方位拉伸的仿生结构电极制备及其电化学电容性能研究

With the development of flexibility and stretchability of electronic devices, the storage energy devices have been required to not only endure mechanical deformation but also keep highly stable capacitance. The key point of this project is to fabricate flexible, foldable, and omnidirectional stretchable electrodes. The idea is as following: firstly, molds will be fabricated by mimicking rose petal structures; secondly, large area elastomeric petal substrates will be obtained by replicating molds; thirdly, metal thin films and active materials will be deposited on substrate surfaces in sequence to form elastomeric substrates; finally, symmetrical supercapacitor (SC) will be constructed by combining aforementioned electrodes with gel polymer electrolyte, which can endure mechanical deformation and keep high and stable capacitance. This project mainly investigate the effects of fabrication parameters (micro-structures of elastomeric substrate, the morphologies and thicknesses of metal current collectors, the types of active materials, the morphologies and thicknesses of active materials, the recipes of gel polymer electrolyte, etc.) on the mechanical deformation and the capacitance of symmetrical SC, and excellent SC will be obtained by optimizing these fabrication parameters. In the end, enhancement mechanism of biomimicking petal structures on mechanical properties and stable capacitance of SC will be illustrated in detail, especially the enhancement mechanism when omnidirectional stretch is conducted. This study will provide a theory basis and technical guidance to develop a flexible and stretchable supercapacitor.

为更好地满足新型柔性储能器件既能承受各种机械形变，又能保持稳定的电化学电容特性之需求。本项目拟重点研究可弯曲、折叠并能全方位拉伸的弹性电极。总体思路是：首先设计和制备仿玫瑰花瓣结构的模板，接着复制得到大面积的弹性基底，再先后沉积金属及电化学活性物质薄膜，形成所需功能的弹性电极，最后与聚合物凝胶电解质组装，可望形成既能承受上述机械形变又具有稳定电容性能的超级电容器（SC）。在实验研究方面，系统考察弹性基底表面的微结构、金属薄膜的形貌结构及厚度、电化学活性物质膜的种类、形貌结构及厚度、以及聚合物凝胶电解质组配方式等参数群，对SC各种机械形变和电化学电容特性的影响规律，进而优化工艺参数，制得预期的高质量柔性SC；在机理研究方面，深入探究仿生花瓣结构对超级电容器耐机械形变和电容性能的增强机制，尤其是全方位拉伸时的电容特性增强机制，进而为一种柔性可拉伸SC的构筑提供可靠的理论依据和实用的制备技术。

为更好地满足新型柔性储能器件在实际应用过程中既能承受各种机械形变，又能保持稳定的电化学电容特性之需求。本项目重点研究了多种类型的柔性超级电容器(SC)电极，研究结果如下： .1）采用丝网印刷技术将金属Ni电极印刷到了粗糙的纸基表面，通过优化及后续的活性材料（MnO2和聚吡咯）的电化学沉积，最后滴涂凝胶电解质形成了纸基平面型微型SC。经电化学以及耐机械形变性能测试，发现器件在弯曲形变过程中具有稳定的输出性能（曲率半径小为0.2 mm时弯曲10 000次电化学性能也几乎没有衰减），且最高能量密度可达到8.05 μWh cm-2，要优于同类型的微型SC。.2）为了制备适用于可拉伸SC电极材料，将具有三维网络结构的活性炭（柠檬酸钠一步高温煅烧而成）与导电聚合物PEDOT：PSS溶液经过适当比例的配比，即可形成适用于印刷或者旋涂的墨水材料。复合电极的面积容量在0.5 mA cm-2的电流密度时可高达314 mF cm-2。.3）以赝电容材料 γ-FeOOH为负极，氮掺杂多孔碳为正极，选用离子液凝胶作为固态电解质在碳布基底上构筑了非对称柔性SC。测试结果表明， 当温度升高到200 ºC 时，柔性SC的体积能量密度为1.44 mWh/cm3；且在180 ºC高温下进行弯曲测试仍表现出稳定的电化学性能。.4）采用形状记忆合金（TiNi合金）作为三明治SC的负极基底材料，在表面刷涂导电碳浆和氧化还原石墨烯；电化学沉积法在Ni膜表面沉积MnO2作为正极材料；最后与凝胶电解质组装成为体温自适应的柔性SC。经过弯曲测试，发现器件在静态和动态弯曲过程中电容性能几乎不变；把器件制成智能表带，能够在接触手腕时自动弯曲，对体温具有良好的响应性能。.同时，在该项目经费资助下，还研究了一些新材料在新型储能器件中的应用，包括二维MXenes材料在柔性微型SC中的初次应用研究；采用柠檬酸钠作为唯一前驱体，经过高温一步炭化制备的三维碳材料在钠离子混合电容器中的应用研究；锚固于石墨烯的碳包覆RuO2纳米点在离子液体基SC中的长寿命行为研究；以及以Ni、Co、Mn三元金属氧化物为基础的纳米结构材料作为钠离子电池负极的研究。