复旦大学彭慧胜团队Adv. Funct. Mater. :具有仿生渐变结构的压缩传感超级电容器

【引言】

便携和可穿戴电子器件将会成为我们未来生活中的重要部分，在实际应用的过程中，这些柔性电子器件会受到不同程度的压力。然而，在高的压缩应变下，传统的电子器件可能会发生破裂并且无法正常工作，而且甚至会导致严重的安全问题，如有毒组分的泄露。为了解决以上挑战，亟需研发出能够承受不同程度压缩应力和应变，并能够维持正常工作的柔性可压缩电子器件。此外，对于目前发展出的便携和可穿戴电子器件，其储能和传感功能通常是通过制备并集成这两种器件的方式来实现的。因此，在不增加器件尺寸和降低柔性的情况下，在同一个可压缩器件上实现储能和传感功能仍然是一个亟需解决的挑战。

【成果简介】

近日，复旦大学高分子系彭慧胜教授（通讯作者）的研究团队通过模仿巨型鱿鱼嘴的渐变交联结构，设计并制备出了一种具有渐变交联结构的可压缩碳纳米管（CNT）阵列材料。在从上到下的垂直方向上，该CNT阵列材料具有从取向排列到高度交联的渐变结构。该CNT阵列能够承受不同程度的压缩应变，具有高达10万次的可逆压缩性能和优异的电学导电性。通过使用该CNT阵列作为电极材料，作者进一步制备出了同时具有优异储能和传感功能的压缩传感超级电容器。在各种不同的压缩条件下，该器件的储能和传感性能都能够得到很好的保持。该柔性压缩传感超级电容器在未来的电子皮肤、智能集成系统中具有良好的应用前景。研究成果以“Gradually crosslinking carbon nanotube array in mimicking the beak of giant squid for compression-sensing supercapacitor”为题，在线发表于国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1：具有仿生渐变交联结构的可压缩CNT阵列的结构示意图

(a) 巨型鱿鱼嘴的渐变交联结构示意图；

(b) 具有仿生渐变交联结构的可压缩CNT阵列材料的示意图。

图2：可压缩CNT阵列材料的结构和力学性能表征

(a) 可压缩CNT阵列的侧面扫描电镜图像；

(b-d) 可压缩CNT阵列上、中、下部分的高倍扫描电镜图像；

(e) 可压缩CNT阵列中CNT的透射电镜图像；

(f) 可压缩CNT阵列在不同压缩应变下的应力-应变曲线；

(g) 可压缩CNT阵列在不同压缩应变下的电阻变化曲线；

(h) 可压缩CNT阵列在40%压缩应变下的3,000次循环应力-应变曲线；

(i) 可压缩CNT阵列在20%压缩应变下的100,000次循环应力-应变曲线。

图3：压缩传感超级电容器的储能电化学性能表征

(a) 器件在不同压缩应变下的恒流充放电曲线（1 mA×cm^-2）；

(b) 器件在不同压缩应变下的循环伏安曲线（20 mV×s^-1）；

(c) 器件在不同压缩应变下的面积比容量（1 mA×cm^-2）；

(d) 器件在60%压缩应变下的倍率性能；

(e) 器件在不同压缩应变下的应力-应变曲线；

(f) 器件在60%压缩应变下循环压缩3,000次的容量保持率。

图4：压缩传感超级电容器的应变传感原理示意图

图5：压缩传感超级电容器的应变传感性能

(a-f) 器件分别在10%, 20%, 30%, 40%, 50%和60%压缩应变下的电容响应曲线；

(g) 器件在不同压缩应变下的电容响应曲线；

(h) 器件在连续变化的压缩应变下的电容响应曲线；

(i) 器件在不同压缩应变保持下的电容响应曲线。

图6：压缩传感超级电容器的应变传感性能

(a-d) 40%应变下，器件分别在0.01, 0.02, 0.05 and 0.1 Hz压缩频率下的电容响应曲线；

(e) 器件在1900次压缩循环下的电容响应曲线（30%压缩应变）。

图7：压缩传感超级电容器的集成和应用展示

(a) 集成了5个压缩传感超级电容器的柔性电路的示意图；

(b) 集成了5个压缩传感超级电容器的柔性电路的照片；

(c) 柔性集成电路被弯曲成表带状的照片；

(d) 当对表带施加一个较小压力时，绿色LED被点亮；

(e) 当对表带施加一个中等压力时，蓝色LED被点亮；

(f) 当对表带施加一个较大压力时，红色LED被点亮；

(g) 按压过程中压缩传感超级电容器测出的电容响应曲线。

【总结】

综上所述，作者报道了一种具有仿生渐变结构的可压缩CNT阵列材料，该材料具有优异的可逆压缩性能（10万次）和电学导电性。使用该CNT阵列作为电极材料，作者进一步发展出了一种能够同时实现优异储能和传感性能的压缩传感超级电容器。通过将该压缩传感超级电容器集成到柔性电路中，能够同时实现各种各样的储能和传感功能。通过使用这些柔性、多功能的压缩传感超级电容器，可穿戴和可集成电子系统的制备、集成、调试和功能转化等过程的实现将被大大简化。该研究工作为研发新一代柔性可穿戴电子器件提供了新的思路。

文献链接：Zhao, Y. et al. Gradually crosslinking carbon nanotube array in mimicking the beak of giant squid for compression-sensing supercapacitor (Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201902971)

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