香港理工Adv. Mater.：超高面积电容超级电容器型防水织物

【引言】

可穿戴储能器件是未来可穿戴电子器件中不可或缺的重要部分，其包括能源收集、照明和显示设备、传感器、通信、智能织物和医疗器件等。值得注意的是，一般人体用于集成化可穿戴器件的可用面积为2m²，因此在这领域中关键的挑战是如何同时获得超高面积电容和器件的可穿戴特性。

与赝电容型超级电容器相比，使用碳纳米管(CNTs)和石墨烯作为活性材料的电化学双层电容器(EDLCs)有良好的导电性可用于快速充电且循环寿命长，是超级电容器(SCs)领域中的希望之星。同时，轻量级的SCs基织物和纳米碳电极由于其优越的可穿戴性能(即受机械形变下的电化学稳定性)，引起了人们的热切关注。与传统的薄膜型柔性SCs相比，织物结构的使用可以明显释放经常发生在穿戴过程中由弯曲、缠绕、拉伸形变引起的机械压力，这赋予其与普通布料类似的卓越器件柔性。然而，已被报道的织物基SCs的面积电容特性实在太低。总所周知，迄今报道的全固态EDLCs织物的最大面积电容只有440mFcm^-2(4.8mAcm^-2)，其质量载量高达12mgcm^-2。其中一个重要原因是构建密集织物电极的同时，维持整个电极厚度范围内的纳米性质将十分困难。

【成果简介】

近日，来自香港理工大学纺织与服装学院的郑子剑教授(通讯作者)在国际顶尖期刊Advanced Materials上发表了题为”Waterproof, Ultrahigh Areal-Capacitance, Wearable Supercapacitor Fabrics”的文章。该文章介绍了一种新型的合成复合物织物电极的方法，在金属织物上直接一步合成了密集多孔、柔性坚韧的EDLC电极，模拟构建一维多壁碳纳米管(MWCNTs)人工基底，以及在金属织物上选择性抽滤二维还原氧化石墨烯(RGOs)从而形成三维可扩张无孔复合物电极。

【图文导读】

图一：复合物织物电极的构建及其表征。

a):在Ni包覆的棉花织物上选择性抽滤复合物电极织物；

b):Ni-棉花织物上的SEM图；

c):制备得到的柔性复合物织物电极；

d):抽滤次数与负载质量的函数关系；

e):10层复合物织物电极的不同部分SEM图。

图二：电极性能特性。

a):电极浸入5M LiCl中；

b):10层复合物电极的CV图；

c): 10层复合物电极的GCD图；

d):不同层数复合物的电流密度与面积电容关系图；

e/f):三种材料的负载量与面积/质量电容关系。

图三：用复合物织物电极构筑的全固态织物型SCs。

a):全固态织物型SCs的构建、封装和集成；

b)/c):不同参数的CV/GCD图；

d):不同层数的SCs织物面积电容；

e):其他报道的SCs织物与该工作的电流密度-面积电容关系对比。

图四：全固态织物型SCs的稳定性测试。

a):20mAcm^-2电流密度下GCD测试以及电容存量；

b):弯曲状态下循环特性；

c):浸入水中的循环特性；

d):SCs织物器件植入实验服中驱动LED灯。

【小结】

报道了一种织物型的全固态SCs，拥有超高的面积电容、在空气和水中都具有超长的循环寿命、优越的柔性。通过在Ni包覆的棉花作集流体，直接选择性抽滤MWCNT和RGO，合成了该高性能复合织物电极。

1)形成了密集多孔三维MWCNT/RGO混合电极，提供了大量的连接通道和可及表面积用于离子扩散和吸收。无论电极厚度多少，其质量比电容都维持在250Fg^-1。在20mAcm^-1电流密度下，其面积电容达到6.7Fcm^-2，远超报道记录的EDLCs的2.7cm^-2。2)在金属织物上直接选择性抽滤，不仅在MWCNT/RGO复合物而且在碳纳米材料和Ni-棉花表面上，都产生了强烈的表面粘附性。这增强了电极的电导性和柔性，因此该全固态SCs器件可以达到0.2-1A的放电电流，同时在10000次充放电循环后比电容提高到3.2Fcm^-2，超过10000次弯曲测试后也没有明显的性能衰减。3)由于器件的构建是直接在织物基底上进行的，因此十分简易就能将电极整合，并封装成防水功能器件。浸入水中10小时进行持续1000次充放电测试，仍有90%以上的电容存量。

文献链接：Waterproof, Ultrahigh Areal-Capacitance, Wearable Supercapacitor Fabrics(Adv.Mater.,2017,DOI: 10.1002/adma.201606679)

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