石河子大学刘志勇团队：基于共价键自支撑的柔性超级电容器

【引言】

在过去十年中，柔性可穿戴的微电子设备及其系统在移动通讯、生物医学、消费电子、体育、清洁能源和环境等领域得到了极大的重视。因此，柔性电子产品的商业化给已经成熟的电化学能量存储系统带来了新的发展机遇。新储能设备需要在弯曲、折叠、扭转、拉伸等连续的机械形变下，依然保持良好的稳定性。碳布因其具有良好的导电性，而常被用作柔性集流体材料，但是如何在其表面负载电极材料，并能保证其在频繁机械形变下，依然能保持其性能不变的问题，仍面临着挑战。

【成果简介】

近日，石河子大学化学化工学院刘志勇课题组在Chemical Engineering Journal上发表了题为Self-supported Flexible Supercapacitor Based on Carbo Fibers Covalently Combined with Monoaminophthalocyanine（DOI: 10.1016/j.cej.2019.123535）的研究性文章。报道了通过共价键将酞菁接枝在碳布上作为柔性电极材料，并应用于对称性柔性超级电容器。在这项工作中，他们通过等离子体处理碳布表面，再经酸化，通过酰胺反应将单氨基酞菁接到碳布上。通过等离子体处理过后的碳布表面会形成类石墨烯结构，这对于提高碳布的比电容起到了一定的作用，并且对碳布表面上的碳层起到了一定的活化作用，继而有利于下一步的酸化，酸处理后碳布上的羧基可以和单氨基酞菁上的氨基形成酰胺。酞菁的共轭结构，可以进一步提高电极材料的电容，在连续的机械形变下，可以实现长周期性能不变。该研究的亮点在于共价键代替导电粘结剂将集流体和电极材料进行复合，为推进高稳定性柔性电极材料的设计制备提供了新思路。石河子大学刘志勇教授和孟桂花副教授为本文通讯作者，硕士研究生罗艳为第一作者。

【图文解读】

合成路线

GCC-PcNH₂合成示意图

结构表征

(a) 碳布（CC）表面的SEM图;

(b), (c) 等离子体处理后的碳布(GCC);

(d) 酸化后的碳布(GCC-COOH);

(e), (f) 酞菁改性后的碳布(GCC-PcNH₂);

(g), (h) 等离子体处理后的TEM。

(a) CC,GCC和GCC-COOH拉曼图谱;

(b) CC,GCC，GCC-COOH和GCC-PcNH₂的红外图谱。

(a) CC, GCC, GCC-COOH和GCC-PcNH₂的XPS全图谱;

(b),(c) GCC-COOH 的C1s和O1s分谱图;

(d),(e) GCC-PcNH₂的C1s和O1s分谱图。

(a) GCC-PcNH₂的EDX图谱;

(b1) GCC-PcNH₂的SEM图;

(b2-b4) 相应C,N和O元素的映射。

性能表征及分析

(a-c) CC,GCC和GCC-PcNH₂的CV, GCD 和阻抗对比图;

(d) 不同扫描速率下，GCC-PcNH₂的CV曲线;

(e) 不同电流密度下，GCC-PcNH₂的GCD曲线;

(f) GCC-PcNH₂循环性能图。

(a) 不同扫描速率下，GCC-PcNH₂弯曲180度前后的CV曲线对比图;

(b) 不同电流密度下，GCC-PcNH₂弯曲180度前后的GCD曲线对比图;

(c) 在不同电流密度下，弯曲后电极的保留率;

(d), (f) 弯曲180度后，GCC-PcNH₂循环性能图。

(a),(b) 柔性电容器(SC)的CV, GCD曲线图;

(c) 弯曲不同角度时，SC的GCD曲线图;(d)SC弯曲180度1000次后的GCD曲线对比图;

(e) 三个SC串联的GCD曲线图;

(f) SC循环性能图。

【小结】

本文首先通过等离子体技术处理碳布，再经酸化、酰胺化反应，将单氨基酞菁接枝到碳布上，制备了基于共价键连接的自支撑柔性电极材料，在电流密度为1mA cm^-2的条件下，其比电容达到2.425 F cm^-2。碳布经过等离子体处理后，表面形成类石墨烯结构，从而有效地提高了比电容；同时，酞菁共轭结构的引入，进一步提高了比电容。电极材料经过10000次充放电，电容仍保持在90%左右。由于构成电极材料的诸元通过共价键连接，弯曲180度后，再重复循环充放电实验，其比电容与未弯曲前一致。本研究结果为高稳定性柔性电极材料的设计制备提供了新思路。

本文由石河子大学刘志勇教授课题组供稿。