ACS Nano：高伸缩的蜂窝结构微型超级电容器阵列用于综合穿戴式电子系统

【引言】

电子产品越来越朝着微型化、便携化趋势发展，对电子设备的伸缩性和柔性提出了更高的要求。超级电容器有很好的商业化应用前景，具有功率密度高，使用寿命长，安全性高的优点。但也存在拉伸变形能力较弱的缺点，限制了其应用，需要进一步寻找具有高拉伸变形能力的电容器电子设备。而蜂窝结构微型超级电容器（MSC）综合穿带式电子系统是一种非常理想的电子设备。

【成果简介】

近日，清华大学王晓红、加州大学机械工程系Kyriakos Komvopoulos教授（共同通讯作者）等采用新的方法制备蜂窝结构的微型超级电容器综合穿戴式电子系统。他们采用喷雾沉积SWCNT薄膜制备MSC电极，然后将Si基板上标准微制造的单壁碳纳米管电极的MSC阵列转移到一个蜂窝结构的PDMS基底组装伸缩性MSC阵列的方法进行制备。该方法操作简单，可控性强，伸缩性能好，具有优越的放电性能。

【图文导读】

图1装置未变形和变形，结构层及蜂窝结构的电极微结构的4×4的MSC阵列展示。

（a）装置拉伸和弯曲示意图。

（b）装置的各种结构层的分解图。

（c-e）分别为装置未变形，被压缩，以及扭转拉伸的数码照片示意图。

（f）交叉SWCNT电极的光学显微图像。

（g）SWCNT电极的俯视图的SEM图像（插图为单壁碳纳米管的TEM图像）。

（h）Si基板上装置的剖面SEM图像（不同的颜色分别为不同的层）。

图2蜂窝结构的单MSC的电化学性能和4×4的MSC的阵列展示。

（a、b）分别单个MSC的典型的CV曲线和一个4×4的MSC阵列。

（c）体积电容与CV扫描速率图。

（d、e）分别5 nA施加电流的单一MSC和4×4 MSC阵列。

（f）体积能量密度EV与功率密度PV。

（g）虚阻抗Z''与真正的阻抗Z'。

（h）归一化虚电容C“与频率的关系图。

（i）电容保持与充电/放电循环次数图。

图3蜂窝结构的4×4MSC阵列的机械性能

设备配置在不同变形阶段（左列）的光学图像和最大应变ε_max（中间和右边列）相应的FEA结果。右列显示ε_max在电容器和互连区的分布。

图4蜂窝结构的4×4的MSC的阵列的电气和机械性能

（a）电容保持与伸长率之间关系图（插图显示50％压缩率和0-150％伸长率CV曲线）。

（b）蜂窝结构MSC，固体PDMS膜，和一个耐克手腕带的实验应力 - 应变曲线（插图显示蜂窝结构MSC的有限元应力 - 应变曲线）。（c-e）通过蜂窝结构MSC设备结合不同伸长率的耐克手腕带启动商用LED（开启电压=2 V，工作电流≈20 mA）。

（f、i、g、j）分别为蜂窝结构的MSC弯曲180°、60°的数码照片及在金层对应的最大应力ε_max分布图。

（h、k）分别对应不同弯曲和扭转角度的重叠CV曲线。

【展望】

高伸缩的蜂窝结构超级电容器微阵列具有很好的伸缩变形能力，器件具有良好的放电性能，稳定性高。MSC阵列的可穿戴电子产品，如手腕，头带系统和可穿戴式计算系统的应用范围具有广阔的前景。

文献链接：Highly Stretchable Microsupercapacitor Arrays with Honeycomb Structures for Integrated Wearable Electronic Systems（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b03880）

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