高強(qiáng)度超薄聚合物薄膜用于電化學(xué)能量存儲(chǔ)

【研究背景】

人類社會(huì)正在闊步邁入物聯(lián)網(wǎng)（IoTs）時(shí)代。作為IoTs的重要組成部分，可穿戴生物電子器件可以為健康監(jiān)測(cè)和人際交流提供堅(jiān)實(shí)保障?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，可穿戴生物電子器件的數(shù)量將會(huì)呈爆發(fā)式增長。但是傳統(tǒng)的中央供能系統(tǒng)無法滿足持續(xù)增長的分布式可穿戴電子器件的能量需求，因此，分布式能源方案的開發(fā)迫在眉睫?；谶@一背景，可穿戴固態(tài)超級(jí)電容器應(yīng)運(yùn)而生?？纱┐鞴虘B(tài)超級(jí)電容器的電化學(xué)性能主要取決于電極材料。時(shí)至今日，開發(fā)高強(qiáng)度，大面積，自支撐的薄膜電極仍然是橫亙?cè)谘芯空呙媲暗碾y題；這也是可穿戴固態(tài)超級(jí)電容器的商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸所在。綜上所述，開發(fā)出高強(qiáng)度，大面積，自支撐的薄膜電極對(duì)于可穿戴固態(tài)超級(jí)電容器的研究和應(yīng)用具有重要意義。

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【研究簡介】

近日，西南交通大學(xué)楊維清課題組的研究人員利用超分子策略結(jié)合簡單的刮涂工藝，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度，大面積，自支撐的聚苯胺薄膜電極的設(shè)計(jì)和制備，并成功將其運(yùn)用到了電化學(xué)能量存儲(chǔ)當(dāng)中。這種聚苯胺薄膜力學(xué)性能優(yōu)異，斷裂強(qiáng)度高達(dá)33.7 MPa， 斷裂伸長率為17.8%。結(jié)合紫外冷光加工技術(shù)和自流延成型策略，研究人員進(jìn)一步制備出了基于聚苯胺薄膜的可穿戴固態(tài)超級(jí)電容器。這種超級(jí)電容器展現(xiàn)出高達(dá)154.4 mF cm^-2的面電容和1.91 mWh cm^-3的能量密度（對(duì)應(yīng)功率密度為42.55 mW cm^-3）。該成果最近以“AnUltrathin Robust Polymer Membrane for Wearable Solid-State Electrochemical Energy Storage”為題發(fā)表在國際高水平期刊Nano Energy上。西南交通大學(xué)材料學(xué)院博士生儲(chǔ)翔為本文第一作者，楊維清教授和張海濤副教授為本文通訊作者。

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【圖文導(dǎo)讀】? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

圖1.?超分子策略構(gòu)筑高強(qiáng)度，自支撐聚苯胺薄膜。（a）通過簡單的刮涂方法制備聚苯胺薄膜。（b）聚苯胺薄膜的分子結(jié)構(gòu)：通過動(dòng)態(tài)的硼酸酯鍵有效橋聯(lián)了剛性聚苯胺分子鏈和柔性聚乙烯醇分子鏈。（c）利用聚苯胺薄膜電極和凝膠電解質(zhì)組裝可穿戴固態(tài)超級(jí)電容器。（d）充放電過程中，聚苯胺主鏈的摻雜/去摻雜動(dòng)態(tài)過程示意圖。

圖2.?聚苯胺薄膜的力學(xué)性能和化學(xué)結(jié)構(gòu)。（a）Ⅰ：聚苯胺薄膜柔性展示；Ⅱ：柔性聚苯胺薄膜可以折疊成三角星和四角星；Ⅲ：聚苯胺薄膜纏繞在直徑為4 mm的不銹鋼棒上；Ⅳ：100 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼可以穩(wěn)定地懸掛在聚苯胺薄膜裁剪而成的條帶上；Ⅴ：聚苯胺薄膜可以實(shí)現(xiàn)大面積，連續(xù)化制備（12 cm × 19 cm）。（b）摻雜態(tài)的聚苯胺薄膜具有良好的導(dǎo)電性，可以在電路中傳導(dǎo)電流。（c）聚苯胺薄膜的力學(xué)性能優(yōu)于大部分文獻(xiàn)報(bào)道的導(dǎo)電聚合物薄膜。（d）聚苯胺薄膜的應(yīng)力應(yīng)變曲線，插圖：樣條斷裂前后的照片。（e）未摻雜的聚苯胺粉末和摻雜態(tài)聚苯胺薄膜的紅外光譜對(duì)比圖，圖片證明了聚苯胺和聚乙烯醇實(shí)現(xiàn)了良好的交聯(lián)。

圖3.?利用聚苯胺薄膜電極制備得到電化學(xué)性能優(yōu)良的可穿戴固態(tài)超級(jí)電容器。（a）陣列化固態(tài)超級(jí)電容器的制備流程。結(jié)合紫外冷光加工技術(shù)，聚苯胺薄膜電極可以進(jìn)一步制備成（b）叉指，（c）同心圓，（d）同心框和（e）波浪形結(jié)構(gòu)。（f）固態(tài)超級(jí)電容器的面電容與聚苯胺薄膜電極厚度的關(guān)系。（g）固態(tài)超級(jí)電容器的面電容與電流密度的關(guān)系。固態(tài)超級(jí)電容器的（h）循環(huán)伏安和（i）恒流充放電曲線。（j）固態(tài)超級(jí)電容器的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試。（k）Ragone圖：本工作的固態(tài)超級(jí)電容器性能與文獻(xiàn)報(bào)道的器件性能的比較。

圖4.?集成化固態(tài)超級(jí)電容器的電化學(xué)性能。（a）在柔性基底上集成固態(tài)超級(jí)電容器陣列的實(shí)物圖，圖中標(biāo)尺為1 cm。（b）串聯(lián)器件與（c）并聯(lián)器件的循環(huán)伏安曲線。（d）串聯(lián)器件與（e）并聯(lián)器件的恒流充放電曲線。

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【結(jié)論】

本文報(bào)道了一種超分子交聯(lián)結(jié)合刮涂工藝的策略，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度，大面積，自支撐的柔性聚苯胺薄膜的設(shè)計(jì)和制造。在這種策略下，剛性的聚苯胺分子鏈和柔性的聚乙烯醇分子鏈可以通過動(dòng)態(tài)的硼酸酯鍵進(jìn)行有效地橋聯(lián)和融合，從而使得最終得到的聚合物薄膜一方面具備優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度（33.7 MPa斷裂強(qiáng)度），另一方面具備良好的力學(xué)柔韌性（17.8%斷裂伸長率）。結(jié)合紫外冷光加工和自流延成型策略，研究者進(jìn)一步制造了基于聚苯胺薄膜電極的可穿戴固態(tài)超級(jí)電容器。器件展現(xiàn)出高達(dá)154.4 mF cm^-2的面電容和1.91 mWh cm^-3的能量密度（對(duì)應(yīng)功率密度為42.55 mW cm^-3），同時(shí)具備良好的力學(xué)耐受性，可以在不同應(yīng)力載荷下保持其電化學(xué)性能的穩(wěn)定。該工作一方面為聚苯胺材料的加工性提供了解決思路，另一方面為可穿戴儲(chǔ)能器件的設(shè)計(jì)和批量化制造奠定了基礎(chǔ)。

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Xiang Chu, Xun Zhao, Yihao Zhou, Yihan Wang, Xueling Han, Yilin Zhou, Jingxin Ma, Zixing Wang, Haichao Huang, Zhong Xu, Cheng Yan, Haitao Zhang*, Weiqing Yang*, Jun Chen*, An Ultrathin Robust Polymer Membrane for Wearable Solid-State Electrochemical Energy Storage,?Nano Energy, 2020, DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105179