清华曲良体教授&北理工张志攀团队

　　Energ. Eeviron. Sci.：可在-30℃下拉伸的超级电容器

　　【引言】

　　可拉伸超级电容器(SSCs)因其功率密度高、充放电速率快和循环寿命长等特点，已被广泛研究，以满足电子纺织品、电子皮肤和可穿戴式健康显示器等可拉伸电子产品的迫切需求。如今，大多数SSC的拉伸特性都需要借助电极的可拉伸结构才能实现，例如波浪形，桥岛形，蜂窝形，螺旋形和弹簧形。遗憾的是，预先设计的电极和凝胶电解质之间通常会遭遇的机械不匹配等问题，此外，没有容量贡献的额外的可拉伸基底的添加也会导致整个器件的体积/质量增加。另外，为了克服传统的基于聚乙烯醇(PVA)电解质和电极的超级电容器(SC)拉伸性差的问题，人们开发了具有可编辑性的超级电容器(SC)，但这些超级电容器无法承受垂直于应变方向的大而复杂的变形。同时，它们仍然采用传统的夹心式结构，将单独制备的电解质和电极进行组装，这样容易在大变形下发生滑动和分层。为了解决这些问题，构建基于本征可拉伸电极和电解质的集成化SSC是至关重要。另一方面,目前很少有研究报道SSCs在零度以下的温度下进行测试,因为传统水凝胶电解质中的水含量冻结会显著限制离子传输,随着传统水凝胶电解质在冰点以下的逐渐冻结,SSCs往往会在-30

　　℃的低温条件下失去弹性和可拉伸性,甚至很少有可靠的方法被提出来解决SSCs在这些情况下拉伸性差的问题。最近，基于乙二醇(EG)/水(W)或二甲基亚砜(DMSO)/水(W)的有机水凝胶电解质已被用于制造抗冻SCs或微型SCs，因为EG和DMSO都能降低水的饱和蒸汽压，从而降低其冰点，抑制冰晶的形成。然而，有机水凝胶电解质的SCs通常不能在零下温度下拉伸，因此，低温可拉伸超级电容器的实现取决于以下条件。首先，电极和电解质在低温下都是可拉伸的。其次，电极/电解质界面存在较强的附着力，以防止在拉伸过程中出现分层。最后，电极和电解质都应该具有优良的抗冻能力，以便在低温下提供稳定的能量输出。

　　【成果简介】

　　近日，在清华大学曲良体教授和北京理工大学张志攀教授（共同通讯作者）团队等人带领下，以含有乙二醇/水/H2SO4的交联聚丙烯酰胺凝胶电解质为原料，在其表面原位生长聚苯胺，制备了一种具有防冻、高拉伸性的超级电容器（AF-SSC）。在这个设计中不需要额外的引入可拉伸基底(如弹性纤维、聚二甲基硅氧烷、橡胶等)或预定义的可拉伸结构(如螺旋形、弹簧、褶皱、蜂窝结构等)。所制备的AF-SSC在−30℃表现出200%的高可拉伸性能，并且在100%的拉伸条件下，可以重复拉伸100次且无明显的电容损耗。此外，当电流密度增加20倍时，在−30°C下，电容保留率达到73.1%，远高于室温下使用赝电容材料制备的可拉伸超级电容器。此外，该器件在−30°C下循环10万次后，电容保持率达到91.7%，展现出超长的循环寿命，优于之前报道的所有可拉伸超级电容。此外，该器件还具有高的可压缩性、可粘贴性、可加工性以及抗干燥性能等优点，是一种在现实生活中可驱动多功能电子元器件的理想电源。该成果以题为“Stretchable supercapacitor at -30℃”发表在了国际顶级杂志Energ. Eeviron. Sci.上。本论文的第一作者为北京理工大学博后靳绪庭和宋丽。