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新材料中心电化学功能材料团队取得最新研究进展

本站 2018-02-02

高能量密度和高电压输出的可拉伸纤维状电容器(SFSSs)作为可穿戴电子设备的供电系统,正在对我们的生活产生革命性的影响。然而,在实际应用中,对于兼具高能量密度和高拉伸性能等优点的纤维状超级电容器的实现仍然存在极大的挑战。

近日,电化学功能材料与器件团队的程建丽、王斌研究员与复旦大学彭慧胜教授合作,利用湿法纺丝PEDOT:PSS结合浓硫酸后处理的方法,成功制备了一体化的纤维状电极材料PEDOT-S:PSS,不仅具有类似导线的高电导率,同时能够作为赝电容电极材料储能。利用PEDOT-S:PSS作为内置导线和电极材料,组装串联的可拉伸纤维状电容器(12.8VT-SFSSs),能量密度高达41.1 μ Wh cm-2。即使在拉伸率高达400%时,容量没有呈现明显地衰减(对于1.6V的单器件,在拉伸高到800%,容量也无明显变化)。同时,作者也通过机理分析发现,酸处理不仅显著去除了PEDOT:PSS中的亲水相PSS,而且PEDOT在酸处理时发生结构重排,大幅提高了其电导率、机械强度和电化学稳定窗口,从而使其同时具有高的柔性和电化学性能。

该研究成果以“All-in-one fiber for stretchable fiber-shaped tandem supercapacitors”为题发表在国际顶级能源期刊Nano Energy。该期刊影响因子12.343,是国际化学类权威顶级期刊之一,在业界享有高声誉。文章的第一作者是化材所在读博士生王转培。


1. (a) PEDOT:PSSPEDOT-S:PSS纤维经过酸和不同溶剂处理之后的关于直径,拉伸强度,拉伸率,和电导率的三维柱状图 (样品 PEDOT-S:PSS-#1-8)(b-g) PEDOT:PSSPEDOT-S:PSS纤维在经过酸处理不同时间之后的SEM(样品 PEDOT-S:PSS-#1-6)(h) PEDOT-S:PSS纤维只用异丙醇预处理的SEM(样品 PEDOT-S:PSS-#7)(i) PEDOT-S: PSS纤维只用乙二醇预处理的SEM(样品 PEDOT-S:PSS-#8)(j) PEDOT-S:PSS纤维打结的SEM图,(k)连续湿法纺丝酸处理后的PEDOT-S:PSS纤维的图片,(l, m) PEDOT-S: PSS纤维的透射电镜图和选区电子衍射图。


图2. (a) 制备PEDOT-S:PSS 基串联的可拉伸纤维状电容器(T-SFSSs)的示意图,(b) T-SFSSs点亮一个商业化的 USB灯的图片。插图为用两根缠绕的PEDOT-S:PSS 纤维连接USB灯的图片,(c) 三个串联的SFSSs通过内置连接的T-SFSSs点亮五个LED灯,(d, e) 三个并联的T-SFSSs编织在一个织物中可以点亮一个商业化的电子手表,每一个T-SFSSs由三个SFSSs串联组成,(f)两个SFSSs串联连接而成的T-SFSSs0%拉伸到400%时仍然可以点亮一个绿色的LED灯。


3. T-SFSSs 电化学性能的表征 (ab)八个SFSSs 串联而成的T-SFSSs的示意图和图片, (c) 八个SFSSs串联连接而成的T-SFSSs0%拉伸到400%的图片,(d) 一,二,四和八个SFSSs 串联而成的T-SFSSs在电流密度为1 mA cm−2GCD曲线图, (e) 一,二,四和八个SFSSs 串联而成的T-SFSSs在扫速为50 mV s−1CV曲线图, (f) 输出电压和容量与串联器件个数的曲线图, (g) 一,二,四和八个SFSSs 串联而成的T-SFSSs 的阻抗图谱,(h) 八个SFSSs串联连接而成的T-SFSSs0%拉伸到400%GCD曲线图, (i) 八个SFSSs串联连接而成的T-SFSSs0%拉伸到400%的容量保持率的曲线图。


4. PEDOT-S:PSS 纤维经过硫酸处理之后的结构重排的机理示意图。




 





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