基於碳纖維布具有超高能量密度的柔性可穿戴全固態超級電容器

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近年來，隨著現代科學技術的發展，越來越多的可穿戴、攜帶型電子產品出現在人們的生活中，電子產品逐漸向小巧、可穿戴、可摺疊和柔性方向發展，這就要求為電子產品提供能量的儲存器件具有輕、薄、柔等特點。在眾多儲能器件中，超級電容器，尤其是柔性全固態超級電容器由於具有可快速充放電、高的功率密度、超長的循環壽命、安全環保和優良的力學性能（可在任意變形時仍保持良好的電化學性能）以及寬的使用溫度範圍等優點而獲得人們的青睞。

電極材料作為超級電容器重要組成部分之一，擔負著能量存儲和實現器件柔性可穿戴的多重功能。而傳統的電極材料是由集流體和電活性材料構成，一般選用的是硬質金屬，這成為實現柔性電極的障礙之一。集流體扮演的是傳導電子的作用，而電活性材料扮演的是電化學存儲電荷的角色，一般是將導電劑、粘結劑和活性材料一起製備成漿料塗覆在集流體上。常規的儲能器件在高頻重複彎折或扭曲時，都會使得活性材料從集流體上剝落，最終導致儲能器件的失效和智能電子產品的報廢。因此，如何保證在高頻變形的情況活性物質的不脫落成為一個巨大挑戰。

碳材料（石墨烯，碳納米管，生物質碳和有機物衍生的碳材料等）因具有良好的導電性、輕質和優異的雙電層儲能特性而受到了大家的青睞。而雙電層儲能主要依賴於比表面積，孔的類型和孔體積的變化等。即便是單層的石墨烯，其理論容量也只有550 F/g左右，一般實驗室製備的石墨烯的比容量也只有240 F/g左右。為了提高炭基材料的比容量，有人嘗試通過雜質原子（C，N，O 和B等）摻雜在碳材料中引入贗電容來增強其比容量引起了大家的關注。但雜質原子摻雜的多孔高比表面積碳材料通常以粉末的形式存在，並不能滿足柔性電極的需求。因此，實現高性能碳材料的柔性化成為了另一個不容忽視的問題。

為了解決上述兩個挑戰獲得高性能柔性可穿戴全固態電化學能量存儲器件，蘭州大學彭尚龍副教授和美國華盛頓大學曹國忠教授合作開展了相應的研究工作，其研究成果發表在期刊《Advanced Energy Materials》上 (題目為Flexible and Wearable All-solid-state Supercapacitors with Ultrahigh Energy Density Based on a Carbon Fiber Fabric Electrode，Qin et al, 2017, DOI:10.1002/aenm.201700409)。該研究工作採用濕法紡絲法並結合氫氧化鉀活化獲得了集高性能和韌性於一體的碳微米纖維布，在獲得高比表面、合適的孔類型、大的孔體積和良好的柔韌型的基礎上，進一步通過電化學陽極氧化法增強了其比表面和孔體積，獲得了最終的電極材料，並對其結構和形貌，以及電化學性能進行了測試分析。與其它碳基電極材料相對，製備的電極材料在酸性和鹼性電解液中測試表現出超高面比容量，尤其是在中性電解液中既可作為正極材料也可作為負極材料。為了進一步探究其實用化，組裝了柔性全固態對稱的電化學電容器，測試結果展示出了很高的能量密度，並將製備的大尺寸器件作為錶帶驅動手錶長達9小時，這為柔性可穿戴電子器件的實用化奠定了堅實的基礎。

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