Adv.Mater.：基于机械强化超长MnO2纳米线复合材料的可编辑超级电容器

【引言】

在电子纺织品，电子皮肤和可穿戴式健康监视器的应用中，对可拉伸电子器件不断增长的需求要求能量存储设备协同拉伸。作为可拉伸和可穿戴电子产品的主要能量供应品之一，近年来，可伸缩超级电容器由于其优越的功率密度和长的寿命而引起越来越多的关注。尽管在可伸缩超级电容器方面取得了一些进展，但通过预先设计用于器件装配的结构化电极制造的传统可拉伸超级电容器仍然缺乏器件级的可编辑性和可编程性。 为了适应具有任意配置的可穿戴电子设备，非常希望开发可编辑的超级电容器，其可以直接转换成期望的形状和可拉伸性。

【成果简介】

近日，南洋理工大学陈晓东（通讯作者）团队基于机械强化超长MnO2纳米线复合材料的电极开发了具有可控形状和拉伸性的可编辑超级电容器。蜂窝状结构编辑的超级电容器表现出227.2mFcm^-2的比电容，并且可以拉伸达500％而不降低电化学性能，这比大多数现有技术的可拉伸超级电容器优越。此外，在400％的拉伸应变下，在10000次拉伸-释放循环之后，它保持了近98％的初始电容。作为系统集成理念的代表，可编辑超级电容器与应变传感器集成在一起，即使在摆动的情况下，系统也表现出稳定的传感性能。相关成果以题为“Editable Supercapacitors with Customizable Stretchability Based on Mechanically Strengthened Ultralong MnO₂Nanowire Composite”发表在了Advanced Materials上。

【图文导读】

图1 可伸缩超级电容器装配过程示意图

a）预先设计的策略

b）该研究中的可编辑策略

图2 机械增强MnO₂纳米线材料对可编辑超级电容器的表征

a）超长MnO₂纳米线的SEM图像

b）TEM图像

c，d）分别为MnO₂纳米线的HRTEM图像和相应的SAED图像

e）Mn₂O₃纳米线的高分辨率XPS谱图

f）CNT膜顶视图，插图是CNT膜的放大俯视图

g，h）g）包含30％CNT的MnO₂纳米线/CNT复合膜的俯视图和h）放大顶视图

i）在MNW/CNT电极上金涂覆的纳米纤维膜的SEM图像

j）MNW70-NCF膜在搅拌后在水中稳定

k）MnO₂基复合电极和MOW70-NCF-PVA基超级电容器的应力-应变曲线

图3 可编辑超级电容器的电化学和机械性能

a）超级电容器结构的示意图

b，c）柔性超级电容器的b）恒电荷充放电和c）循环伏安（CV）曲线

d）柔性对称超级电容器之间的电化学性能比较

e）不同应变测试下的蜂窝状超级电容器的数字图像

f）在1.6mA cm^-2下测试的聚氨酯螺纹互锁蜂窝状超级电容器的归一化比电容

g）电流密度为1.6mA cm^-2的蜂窝状超级电容器的电容保持率

h）可编辑的超级电容器的特定面积电容与可逆拉伸性

图4 输出电流

a）在两种条件下由可拉伸的蜂窝状超级电容器供电的应变传感器中的电流响应

b）不同摆动频率下非集成器件的输出电流

c）最大输出电流和摆动频率之间的关系

【小结】

该研究展示了具有可控拉伸性的可编辑超级电容器，即使在可逆的400％拉伸应变下进行10000次拉伸-释放循环之后，具有蜂窝状结构的超级电容器仍然保持接近98％的初始电容。可编程超级电容器具有高度可伸缩性，易于编程以及可串联和并联连接，有望为各种便携式，可拉伸和可穿戴电子设备生产具有可编程拉伸性能的时尚储能设备。

文献链接：Editable Supercapacitors with Customizable Stretchability Based on Mechanically Strengthened Ultralong MnO₂Nanowire Composite（Adv. Mater., 2017, DOI：10.1002/adma.201704531）

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