东华大学张坤教授团队在制备具有高电压输出的串联纱线状超级电容器领域取得新进展

　　具有高电压输出（10-103 V）的纱线状超级电容器（YSSCs）在可穿戴电子器件领域具有较好的应用前景。然而，受水的分解电压限制（约1.23 V）, 基于水系电解液的YSSCs往往具有较低的输出电压（1-1.3 V）。虽然有机电解液可以在一定程度上提高YSSCs的输出电压（2.5-4 V）, 但其成本高，有毒且易燃，无法实现在可穿戴电子器件领域的应用。研究人员倾向于利用导线将多个YSSCs串联以提高输出电压，但导线与电极之间会产生接触电阻，从而造成能量损耗。目前，规模制备具有高电压输出且可制造性良好的YSSCs仍然面临工艺流程复杂等问题。

　　近期，东华大学张坤教授团队开发了一种简便且可批量化制备具有高电压输出的串联纱线状超级电容器（T-YSSCs）的方法，具体为通过浸渍-涂覆法将多个超级电容器串联制备在高强耐腐蚀聚四氟乙烯（PTFE）单丝上。该T-YSSCs展现出了高电压密度以及优异的机械强力，且其接触电阻可忽略不计。通过工业机织工艺，多根T-YSSCs被成功地织入了织物，该能量储存织物具有可调节的电压和电流，展现了良好的体表共形特点，并为一系列可穿戴电子产品提供了电能。相关工作以“A scalable strategy toward compliant tandem yarn-shaped supercapacitors with high voltage output”为题，在英国皇家化学会（RSC）杂志《Journal of Materials Chemistry A》发表，并被选为2021年度热点文章。

　　该项工作在PTFE单丝上间隔涂覆银胶作为电极集流体，利用银胶粘附二氧化锰/氧化石墨烯（MnO2/GO）作为电容活性电极材料。进而经过氢碘酸还原后得到MnO2/rGO基T-YSSCs。

　　图1：基于MnO2/rGO 的T-YSSCs的制备流程图及实物展示

　　首先，作者通过调节MnO 2在MnO 2/rGO复合物中的含量，确定了MnO 2/rGO (1:1 w/w)电极具有最优的电荷储存能力。随后提高MnO 2/rGO电极的活性物质负载量以提高电极的电化学性能：当活性物质负载量达到25.6 mg/m时，MnO 2/rGO电极的面积比电容可达393.6 mF/cm 2，且在10,000次循环后仍有95.2%的电容保持率，MnO 2/rGO电极的面积比电容可通过继续提高活性物质负载量进一步提高至475.6 mF/cm 2。

　　图2：活性物质负载量对MnO2/rGO电极的电化学性能的影响

　　经研究发现，使用导线串联连接超级电容器（MI-YSSCs）时，由于金属导线与半导体电极材料功函数的差异在连接处形成肖特基势垒，导致接触电阻。但在T-YSSCs结构中， YSSC单元间连接导线为电极本身，从而避免了此类接触电阻的产生。

　　图3：T-YSSCs与MI-YSSCs电化学性能及接触电阻的对比

　　基于PTFE单丝优异的物理机械性能和MnO2/rGO活性物质的良好电化学性能，研究人员将T-YSSCs织入织物，展现出良好的体表共形能力和功能稳定性，最终成功为计步器、电子手表、智能手环及紫外探测器等可穿戴电子器件供电。

　　图4：由多根T-YSSCs织造的能量储存织物及其应用演示

　　该研究工作的主要意义在于提供了一种简单且可扩展的方法用于制备具有高电压输出的纱线状超级电容器。本文的第一作者为东华大学纺织学院2019级博士生张娟，通讯作者为张坤教授，机械学院王新厚教授为联合通讯作者。本研究工作受中国科协“青年人才托举工程”、中央高校基本科研业务费专项基金、东华大学研究生创新基金等项目的经费支持。

　　论文链接：

　　https://doi.org/10.1039/D1TA02328D

　　来源：高分子科学前沿

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