Advanced Energy Materials报道我院关于柔性超级电容器的研究成果

柔性可穿戴式及便携式电子器件,要求驱动其工作的供能器件不仅能提供足够的功率密度及能量密度,还需具有良好的柔韧性。为实现高性能的可穿戴超级电容器,急需探索一种具有高多孔性、高导电性和良好力学稳定性的柔性电极。

南京大学现代工程与应用科学院学院首次以复合双金属硫化物为设计思路,采用低成本的普通纤维布为原料,通过物理镀银的方式制得柔性基体(可推广到所有纤维布);在纳米银的诱发成核作用下,通过控制硫化反应获得了FeCo2S4-NiCo2S4纳米管构建多脚架阵列的新型电极材料。该柔性电极避免了其它非活性添加剂,由于复合硫化物组分间的协同效应、多脚架结构的多孔性和力学稳定性以及银镀层赋予的高导电性和强界面结合力,在5 mA cm-2电流密度下比电容达1519 F g-1,均高于相同条件下单一双金属硫化物的比电容,经过5000次充放电循环后,比电容保持率高达95.1%;在40 mA cm-2高电流密度下比电容仍可达到1297 F g-1研究人员使用固态凝胶电解质作为隔膜,组装得到了对称型全固态柔性超级电容器。功率密度1070W Kg-1能量密度达到46Wh Kg-1;在10 mA cm-2电流密度下,循环3000次后器件的电容保持率为92%;大角度弯曲和扭曲测试都证明了该器件有着优异的机械和电化学稳定性。该工作为高性能柔性超级电容器的设计提供了一种新途径。

  

1. 以普通纤维布为原料制备多角架阵列结构复合电极材料的过程示意图

  

为了展示潜在应用性,研究人员将串联后的固态电容器制成手环型的柔性器件成功为智能手机充电。手环型超级电容器可以戴在手腕上,即便直接接触皮肤,也不会对身体造成伤害。

  

2.a)器件扭曲实物和示意图;(b)不同扭曲角度下器件的CV曲线;(c)器件串联示意图;(d)器件电容随面积的变化;(e)将器件串联制成手环电容器为智能手机充电。

  

该项成果以“Wearable High-Performance Supercapacitors Based on Silver-Sputtered Textiles with FeCo2S4-NiCo2S4 Composite Nanotube-Built Multi-tripod Architectures as Advanced Flexible Electrodes”为题发表在影响因子为15.23的《先进能源材料》上(Advanced Energy Materials2016, 1601234),现代工程与应用科学院学院硕士研究生朱健为第一作者,唐少春副教授和孟祥康教授为通讯作者。该项研究得到了科技部973计划、国家自然科学基金和江苏省自然科学基金的支持。