皮肤型超级电容器研究中取得进展

　　近年来，随着柔性可穿戴电子学的蓬勃发展，皮肤型电子器件的研究和制备已成为该领域的焦点之一。为了构筑一体化的电子系统，人们迫切需要一型的柔性、超薄、轻量化的皮肤型能量存储装置。

　　超级电容器作为一种新型的储能器件，引起了研究者们的广泛关注，然而传统的薄膜型超级电容器厚度一般在20 μm以上，无法满足柔性和皮肤电子学器件的实际要求。此外，该类超级电容器多采用金属集流极和衬底，由于集流极多为脆性材料，价格高昂，且器件必须依附衬底，无法实现大角度弯折，因此现有器件难以应用于柔性便携电子学，特别是皮肤电子学领域。

　　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，近年来在碳纳米材料基柔性储能器件领域取得了系列成果（Energ. Environ. Sci. 2012， 5， 8726; Adv. Mater. 2013， 25， 1058; Nano Res. 2014， 7， 1680; Adv. Energy Mater. 2015， 5， 1500677; Nanoscale 2015， 7， 12492）。最近，该课题组研究生栾平山、张楠、张强在中科院院士解思深、研究员周维亚的指导下，与南开大学化学学院教授牛志强等人合作研制出一种柔性、超薄、自支撑、高性能的皮肤型超级电容器。其题为Epidermal supercapacitor with high performance 的研究工作发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials，2016， 26， 8178-8184）杂志上，并被选为封面文章。

　　他们利用直接生长的碳纳米管薄膜与PEDOT进行复合，并对其负载量和电化学性能进行优化。得益于大量“Y型结”构成的连续网络结构，该复合薄膜具有高达~1600 S cm-1的电导率和~300 MPa的力学强度，有助于皮肤型器件的构筑（图1）。提出一种基于衬底表面能差异的分步分离技术，实现了器件和衬底的无损分离，构筑出厚度约为1 μm的超薄器件（图2）。经测试，这种皮肤型超级电容器的比电容为56 F g-1（相对于两电极质量），能量密度为6.0 W h kg-1，功率密度为332 kW kg-1，响应时间为5.4 ms，此外器件还可耐受105次的弯折。相对于其它薄膜器件，该皮肤型超级电容器在比电容量、功率密度、响应时间上均体现出显著优势（图3）。有望应用于柔性可穿戴电子学和皮肤电子学等领域（图4）。

　　相关研究得到了科技部、国家自然科学基金委和中科院的支持。

　　

　　图1 不同电镀圈数时，复合薄膜比电容量及PEDOT含量（a）、电导率（b）和应力-应变曲线（c）。纯碳纳米管薄膜（d）和复合薄膜（e）SEM图像，纯碳纳米管薄膜（f）和复合薄膜（g）TEM图像。

　　

　　图2 （a）皮肤型超级电容器的组装过程示意图。SWCNT/PEDOT复合薄膜（b）和皮肤型超级电容器（c）-（d）的光学照片。（e）-（f） 皮肤型超级电容器截面的SEM图像。

　　

　　图3 皮肤型超级电容器的循环伏安曲线（a）和恒流充放电曲线（c）。（b）皮肤型超级电容器（SC-E）与其它薄膜器件在20 Vs-1扫描速率下的循环伏安曲线。（d）-（f）皮肤型超级电容器与其它薄膜器件的性能对比。

　　

　　图4 皮肤型超级电容器实物演示与杂志封面图片