物理所宏观碳纳米结构复合界面设计研究取得进展

　　随着电子皮肤、柔性手机等概念的相继提出和研究的不断深入，作为柔性电子系统的重要组成部分，新型（如柔性，可拉伸，可弯折等）能量储存和供给单元正迅速被人们所重视。发展具有高能量密度、高功率密度及高循环稳定性的轻薄新型能量存储器件（例如：薄膜超级电容器）势在必行。目前柔性可拉伸超级电容器研究已取得一定进展，但其性能却远不能满足应用需求。若想得到电化学性能优异、拉伸性能＞100%的超级电容器，其关键问题是实现高可拉伸的复合电极，耐拉伸的复合界面和一体化的器件结构。

　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）先进材料与结构分析实验室“纳米材料与介观物理”研究小组，多年来一直致力于碳纳米结构的制备、物性与应用基础研究，近年来在宏观碳纳米结构及其复合材料的构筑、性能和应用探索方面取得了系列成果（Nano Lett. 2011, 11, 4636； Energ. Environ. Sci. 2011, 4, 1440； Energ. Environ. Sci. 2012, 5, 8726； Adv. Funct. Mater. 2012, 22: 5238； Adv. Mater. 2013, 25, 1058, Sci. Rep. 2013, 3, 3048）。最近，在以往工作的基础上，该课题组在宏观碳纳米结构复合界面设计与其在可拉伸/可折叠超级电容器的应用探索方面取得了新进展。

　　（1）该课题组博士生张楠、研究员周维亚、中科院院士解思深等人，研究了碳纳米管基复合材料的界面结构、形成机制和性质，探讨了界面多尺度耦合效应对性能的影响，探索了碳纳米管的优异的力学、电学性质在宏观尺度碳纳米复合体系上的保持、传递及其演变等基本科学问题。进一步解决了连续制备的SWCNT分级网络结构薄膜在约10%应变下出现宏观尺度裂纹的问题，制备出了高抗拉伸（120-140%伸长量）碳纳米管基复合薄膜电极，组装出全固态、高抗拉伸、一体化、高性能的超级电容器，在0-120%往复拉伸过程中其性能保持稳定，显示出在便携、生物兼容、皮肤型器件中的应用前景。相关工作发表在Nano Res.（2014, 7, 1680-1690）上。

　　（2）该课题组与新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院牛志强博士和陈晓东教授合作，设计了几种赝电容型电极结构，如：还原氧化石墨烯（rGO）与纤维素纸（cellulose fibers, CFs）的堆积结构和纳米结构复合电极，探究了电解质在不同界面的传输能力。发展了一种石墨烯和纸纳米复合的新方法，得到了充分利用石墨烯比表面积和导电性的石墨烯与纸的复合结构。以这种独特的微纳复合结构为模版，构筑了一种柔性可折叠的PANI-rGO/CF分级结构复合纸，组装出一种柔性可折叠全固态超级电容器，其电化学性能得到有效提高，电极比电容达460 F/g，当将电容器折叠到180°时，质量比电容损失仅为5%，为全固态超级电容器实现在弯折动态过程中保持性能稳定提供了可能。研究结果发表在Adv. Mater.（2014, 26, 4855-4862）上。

　　相关研究得到了科技部、国家自然科学基金委和中科院有关基金的支持。

图1 一体化可拉伸SWCNT/PANI 超级电容器的界面结构的SEM图像和示意图。

图2 一体化可拉伸SWCNT/PANI 超级电容器在有无拉伸状态下的电化学测量曲线。

图3 分别基于紧密型rGO/CF复合纸、纳米结构rGO/CF复合纸和分级结构PANI-rGO/CF复合纸的常规超级电容器的电化学测量结果；不同PANI沉积时间下分级结构PANI-rGO/CF复合纸的比电容。

图4 全固态超级电容器在不同弯曲(a)和折叠(b)状态下的比电容变化。