美国圣路易斯华盛顿大学：自编织纳米网打造抗冲击柔性电极

【引言】

近年来柔性电子器件作为未来电子器件发展的方向之一备受瞩目。由此，可穿戴器件、医用可植入器件、电子皮肤以及智能电子织物等概念被不断提出，组成了未来人类生活蓝图的一部分。当电子器件依附于人体工作时，弯曲与碰撞在所难免。然而，为了高性能与高集成度，现有的电子器件大多基于结构脆弱的微米或纳米材料，在弯曲或碰撞时造成的材料结构坍塌会使器件失灵。如何赋予高性能纳米柔性器件抗冲击性，使其在接受物理冲击后仍然正常工作是一大挑战。现有的提高器件抗冲击性的策略主要从封装工艺上出发，将脆弱的活性材料包裹在坚硬的抗冲击外壳中。然而，这种策略不但使得器件不再具有柔性，并且抗冲击外壳的使用提高了制造成本、增加了器件重量与体积。

【成果简介】

近日，圣路易斯华盛顿大学的Julio M D’Arcy教授团队提出了一种“电极纳米工程”的策略，首次 论证了通过选择合适的材料以及设计合理的结构可以使柔性纳米电极本身具有抗冲击性。在提出的抗冲击电极材料设计策略中，材料自身的柔性以及纳米结构的水平取向是两个关键点。为了论证这一策略，该组首次通过晶体生长诱导自编织的方法合成了由水平取向聚 (3,4-乙烯二氧噻吩)（PEDOT，一种导电聚合物）纳米纤维交织而成的纳米网。即使没有坚硬的外壳，抗冲击纳米电极及其制成的柔性器件在接受能量密度为125 kJ/m²的物理冲击之后性能仍然得到了保持。相比之下，钢材、木材及碳纤维等材料在分别接受50 kJ/m²，14 kJ/m²及0.8 kJ/m²的冲击后便会产生断裂。该成果作为封面文章近日发表在RSC新刊Sustainable Energy & Fuels上。

【图文导读】

图1. 传统纳米电极与本文提出的水平取向柔性纳米网电极抗冲击性能比较示意

图2. 一种独特的液-气混合相氧化自由基聚合被用于一步合成具有高导电率（334 S/cm）与高比电容（164 F/g）的PEDOT纳米网电极。在这种合成方法中，氯化铁溶液作为聚合反应的引发剂与氧化剂被置于玻璃基底上，置于含有3,4-乙烯二氧噻吩单体蒸汽的反应器中。随后，反应器加热引发氯化铁溶液的水解，形成的β-FeOOH纳米纺锤在奥斯瓦尔德熟化与聚合物依附的共同作用下生长并转化为长径比超过1,000的PEDOT纳米纤维。异相成核的机制使得这些纳米纤维自编织成为交织的纳米网

图3. 水平取向PEDOT纳米纤维网电极的结晶性、导电性及抗冲击性能测试

图4. 基于水平取向PEDOT纳米纤维网的超级电容器的电化学表征以及抗冲击性能研究。由于纳米级别的网络提供了大量表面积用于储存电荷，所得的超级电容器的能量密度（最高5.7W h kg^-1）、功率密度（最高48kW kg^-1）与比电容（164F/g）高于以往基于PEDOT的柔性超级电容器(比电容约120F/g)。器件在经受125 kJ/m²的冲击后仍能充放电超过10,000周。在遭受40次125 kJ/m²的冲击后，比电容衰减仅为6%。

图5. 基于水平取向PEDOT纳米纤维网的超级电容器的柔性测试与电化学表征，器件在弯曲0°至150°时仍正常工作。

【小结】

这项工作论证了利用材料的柔性及其水平取向，纳米电极自身也可以拥有高抗冲击能力，制造的柔性器件在经受重复的、高强度的冲击之后仍能正常工作而性能不变。这为今后柔性电子器件的实际应用打下了基础。

文献链接：Self-woven nanofibrillar PEDOT mats for impact-resistant supercapacitors （DOI：10.1039/C8SE00591E）

本文由圣路易斯华盛顿大学的Julio M D’Arcy教授团队供稿，材料人编辑部编辑。

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