基于碳纳米复合材料的可拉伸超级电容器

To satisfy the requirement newly emerging flexible, portable and wearable electronics, it is urgent to develop flexible and even stretchable energy conversion and storage devices. Supercapacitors exhibit high specific energy densities, long cycling stability and high safety, which can be easily fabricated on flexible and/or stretchable substrates, realizing high flexibility and stretchability. However, the reported stretchable supercapacitors often showed stretchability lower than 100%. The main challenge comes from the used electrodes. Based on our previous research experience, this project will focus on developing highly stretchable all-solid-state supercapacitors based on carbon nanotubes, graphene and their hybrid composites. Due to their large surface area, excellent electrical, mechanical and electrochemical properties, carbon nanotubes and graphene can be used as both current collectors and active electrode materials in supercapacitors, which represent ideal electrode materials for high-performance stretchable supercapacitors. In this project, various methods will be used to fabricate carbon nanotube, graphene and their composites with controllable nano-structures and functionalities. Based on these nanocarbon composite electrodes, a series of highly stretchable supercapacitors with high-performance will be developed. The effects of nano-structure of electrodes and interface among various functional layers on the performance of devices will be systematically investigated.

柔性、便携、可穿戴电子器件的飞速发展，亟需发展与之匹配的柔性甚至可拉伸的能量转换或储存器件。超级电容器具有功率密度高、寿命长、安全性高等优点，并且能方便地制备在柔性或可拉伸基底上，实现高度柔性和可拉伸性。但是，目前已报道的可拉伸超级电容器的可拉伸性能通常在100%以下，主要的瓶颈来自电极材料。基于前期的工作积累，本项目拟以碳纳米管、石墨烯及其杂化复合材料构筑具有超高可拉伸性能的全固态超级电容器。碳纳米管和石墨烯，具有大的比表面积、优异的电学、力学和电化学性能，既能作为超级电容器中的电荷集流体也可作为活性电极材料，是制备高性能可拉伸超级电容器的理想材料。本项目将通过多种途径制备具有不同纳米结构、不同功能组份的碳纳米管/石墨烯复合材料，发展出一大类具有较高能量储存效率和可拉伸性能（>400%）的全固态超级电容器器件；并探明碳纳米材料的精细纳米结构和各功能层间的界面效应与器件整体性能的构效关系。

电极材料的限制是影响超级电容器的可拉伸性能的主要原因。碳纳米管和石墨烯，是可拉伸超级电容器的理想材料，但在传统的制备方法，如在溶液分散或组装成电极材料的过程中极易发生团聚，所制备的电极材料的电学、力学性能远远低于预期。前期研究中，我们以通过化学气相沉积法制备的碳纳米管阵列作为电极材料，构筑了具有较高可拉伸性能的超级电容器。为了获得更高可拉伸性能和电化学性能的超级电容器，本项目实施过程中开展了以下工作：（一）在前期研究的基础上，我们将化学气相法生长碳纳米管阵列的高度增大到550微米，再通过简单的滴涂法将高分子材料（PEDOT:PSS）负载在碳纳米管膜上，构筑了具有超高可拉伸性能的超级电容器（480%）；（二）设计并合成了化学键连接的碳纳米管/石墨烯纤维及织物，连续的中空石墨烯纤维在表面生长碳纳米管的支撑作用下，在其管内外均能负载电化学活性物质（如聚苯胺），在此基础上，进一步发展了柔性织物状、纤维状超级电容器，对于柔性、可穿戴电子器件领域具有重要意义；（三）开发了一种简单的溶液法，实现了碳纳米管催化剂在石墨烯表面的均匀负载，进一步合成了三维结构的石墨烯/碳纳米管复合材料。在此复合材料基础上，进一步生长电化学活性物质，以此作为电极材料，构筑了高性能柔性可拉伸超级电容器。本研究系统深入的通过不同制备方法和器件制备工艺制备微观结构及性能可控的石墨烯/碳纳米管复合材料，揭示了此三维结构能有效阻止彼此的团聚作用，进而提高电极材料的机械性能，并且多孔骨架结构有利于电化学活性物质的负载和电解质的渗透，以此作为电极材料构筑了一大类高效、稳定的柔性可拉伸超级电容器。项目执行期内，发表论文9篇；培养研究生4名。本研究完成了项目规定的考核指标。