一体化柔性固态超级电容器电极结构设计及其界面相容性研究

The development of flexible solid-state supercapacitors is the key to meet the rapid development of flexible electronic devices (crimp displays, implantable biosensors, smart wearable devices, etc.). The core task of high performance flexible solid state supercapacitors is to design flexible electrodes with high performance, light weight and easy processing. In view of the problems of low specific capacity, difficult processing and poor compatibility of interface for flexible supercapacitor electrodes, and based on two aspects of electrode preparation technology and material structure design, this project utilize the supercritical fluid with high diffusivity, strong permeability and superior solvation ability to construct an integrated flexible carbon foam based conductive polymer electrode, so as to realize the controllable fabrication of composite microstructures and active control of interfaces. The regulation of supercritical fluid technology on the micro-morphology of composites is systematically studied; the mechanism of interface compounding between carbon materials and conductive polymers is revealed; the effects of material structure and composition on electrochemical properties are analyzed; the mechanism of high efficiency energy storage is clarified; and the relationship between process-structure-performance is established. It is expected to obtain high specific energy and high stability carbon-based conductive polymer composite electrode materials. This project also provide theoretical basis for the exploration of new supercapacitor composite materials by supercritical insertion technology.

柔性固态超级电容器的开发是满足柔性电子器件（卷曲显示器、植入式生物传感器、智能可穿戴设备等）高速发展的关键。高性能柔性固态超级电容器的核心任务是设计高性能、质轻、易加工的柔性电极。本项目针对柔性超级电容器电极存在比容量低、加工困难、界面兼容性差等难题，从电极结构设计和材料界面调控两方面出发，利用超临界流体的高扩散性、强渗透性和优越的溶剂化能力构筑了一体化柔性泡沫碳基导电聚合物电极，旨在实现复合材料微结构的可控构筑和界面的主动调控。系统研究超临界流体技术对复合材料微形貌的调控规律；揭示碳材料与导电聚合物的界面复合机制；剖析材料结构及成分对电化学性能的影响；阐明高效储能机制；并建立工艺-结构-性能的关联性。以期获得高比能量、高稳定性的一体化泡沫碳基导电聚合物柔性电极，为超临界技术制备新型柔性超级电容器电极提供理论依据。

超级电容器具有功率密度大，价格低廉等优点，有望成为锂离子电池的最佳替代者，而高性能、质轻、易加工的柔性电极材料是柔性超级电容器的核心。本项目以碳基导电聚合物为研究对象，针对目前超级电容器电极材料制备工艺复杂，结构难以调控，复合材料间不相容性和能量密度低等问题，从材料结构和微观调控的角度出发，以廉价、易得、结构稳定的碳基材料（如泡沫碳、生物质基分级多孔碳等）和导电性好、化学稳定性好的导电聚合物（如聚苯胺）作为基底和原料，引入超临界流体插嵌技术可控构筑碳基导电聚合物复合材料。通过超临界流体高扩散性、强渗透性和优异的溶剂化能力，改善不同材料之间的不相容性，有效提升电化学活性位点的利用率，加速电子和离子传输，从而大幅增强复合电极材料的能量密度和循环性能。本项目主要研究内容分为三个部分。首先，系统研究了超临界流体插嵌技术对复合材料微结构、聚合物尺寸及表面化学状态等特性的影响规律。结果表明：这一方式可作为碳基材料和导电聚合物材料的有效复合手段，复合材料表现出优异的电化学性能。其次，利用不同的聚合方法，分别为电化学沉积法和原位聚合法通过调节聚合物与碳基之间的工艺参数，阐明了不同聚合工艺对聚苯胺在基底材料中的分布状态、结合方式及比表面积等特性的作用机理，并建立了复合材料结构、工艺与其电化学性能之间的构效关系。最后，本项目发展了系列多孔碳基载体材料，揭示了多孔碳载体的相组成、微结构、表面状态对电化学性能的作用机理，阐明了提升碳基电极材料电化学性能的可能途径。本项目的研究成果为高比容量、长循环寿命碳基复合超级电容器电极材料的合理设计和可控合成提供重要的实验基础和理论依据，具有重要的参考作用。