日前,同濟(jì)大學(xué)陳濤教授課題組在Nature Communications上發(fā)表了題為“Ultrastretchable and superior healable supercapacitors based on a double cross-linked hydrogel electrolyte”的研究論文。論文報(bào)道了一種基于新型高分子復(fù)合水凝膠的超級(jí)電容器,該電容器不僅具有超高的可拉伸性,還能夠在紅外光照或加熱條件下實(shí)現(xiàn)快速修復(fù),且具有較高的容量保持率。該論文通訊作者是陳濤教授,第一作者是化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院2016級(jí)博士生李惠麗。
具有抗拉伸、可修復(fù)的柔性、智能、可穿戴電子產(chǎn)品的出現(xiàn),傳統(tǒng)的剛性、塊狀電池顯然難以滿足上述電子器件的需求,亟需開(kāi)發(fā)與之相匹配的可修復(fù)、抗機(jī)械力破壞的能量?jī)?chǔ)存器件。盡管之前已有可修復(fù)且可拉伸的超級(jí)電容器的相關(guān)報(bào)道,但是它們的修復(fù)性能較差,并且能夠承受的斷裂/修復(fù)循環(huán)次數(shù)較少,主要是因?yàn)闃?gòu)成超級(jí)電容器的電極材料和凝膠電解質(zhì)的可修復(fù)性能較差。對(duì)于凝膠電解質(zhì)而言,目前普遍采用的聚乙烯醇基凝膠電解質(zhì)本身并不具有可修復(fù)性和拉伸性能,而具有三維網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子水凝膠則可以通過(guò)功能化賦予其較高的離子電導(dǎo)率、可修復(fù)行和可拉伸性能,有望實(shí)現(xiàn)具有超高可拉伸性、可愈合的多功能超級(jí)電容器。
基于上述考慮,陳濤教授課題組以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAEMA)為單體、以鋰藻土(Laponite)和氧化石墨烯(GO)為雙重交聯(lián)劑,通過(guò)簡(jiǎn)單的自由基共聚反應(yīng)合成了雙重交聯(lián)的聚-(AMPS-co-DMAEMA)/Laponite/GO高分子復(fù)合水凝膠,并通過(guò)改變聚合體系中單體、交聯(lián)劑等的含量對(duì)高分子復(fù)合水凝膠的力學(xué)性能、離子導(dǎo)電性及可修復(fù)性進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)控。以該高分子復(fù)合水凝膠取代傳統(tǒng)的聚乙烯醇基凝膠電解質(zhì)、以碳納米管或其復(fù)合膜作為電極材料,通過(guò)預(yù)拉伸水凝膠電解質(zhì),構(gòu)筑了雙電極體系的超級(jí)電容器器件。
上述方法所制備的超級(jí)電容器表現(xiàn)出超高的可拉伸性,在被拉伸至初始長(zhǎng)度的10倍時(shí),器件的容量?jī)H衰減13%;同時(shí),被切斷的超級(jí)電容器在紅外光(波長(zhǎng)808 nm)及加熱(80 ℃)兩種條件下均能進(jìn)行修復(fù),器件被切斷/愈合15-20次,其容量保持率依然在90%以上,表現(xiàn)出優(yōu)異的可修復(fù)性。值得一提的是,被切斷/修復(fù)后的超級(jí)電容器不僅能保持其電化學(xué)性能,還能保持其超高的可拉伸性能(900%),且被拉伸900%時(shí)其容量?jī)H僅衰減15%左右。高分子水凝膠具有柔性好、制備工藝簡(jiǎn)單、易功能化設(shè)計(jì)等特點(diǎn),在柔性、智能、可穿戴能量?jī)?chǔ)存或轉(zhuǎn)換器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市教委、上海市科委、上海市委組織部、中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)和同濟(jì)大學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
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