高性能智能充電器充電全固態(tài)柔性超級(jí)電容器的凝膠電解質(zhì)自下而上填充新方法
2018-7-14 16:10:59??????點(diǎn)擊：
智能充電器充電柔性固體超級(jí)電容器（FSSCs）通常通過將凝膠電解質(zhì)夾在一對(duì)多孔電極之間組成，同時(shí)需要凝膠電解質(zhì)與多孔電極的內(nèi)部孔隙充分接觸，以形成充放電的界面?，F(xiàn)在常用的柔性電極都比較薄，這樣電解質(zhì)可以與電極材料充分接觸，但是其厚度僅為幾十納米到微米，遠(yuǎn)小于商用智能充電器充電超級(jí)電容器的電極厚度（100 μm – 150 μm），導(dǎo)致電容器具有低的面積電容，難以滿足實(shí)用需求。雖然制作大厚度的多孔電極并不困難，但是使凝膠電解質(zhì)充分接觸大厚度多孔電極的內(nèi)部孔隙卻是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。本文提出了一種新的固態(tài)凝膠電解質(zhì)填充方法，使固態(tài)凝膠電解質(zhì)的有效填充深度達(dá)到了500 μm以上，使智能充電器充電超級(jí)電容器的單位面積電容值為以往學(xué)術(shù)界報(bào)道的最大值的5倍以上。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，中國(guó)西安交通大學(xué)的邵金友和美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的Paul V. Braun（共同通訊）等人報(bào)道了一種固體凝膠電解質(zhì)填充方法，解決了固態(tài)凝膠電解質(zhì)與大厚度多孔電解的界面接觸問題。如果固態(tài)電解質(zhì)不完全填充多孔電極的內(nèi)部孔隙，將會(huì)降低固態(tài)智能充電器充電超級(jí)電容器的電學(xué)性能和機(jī)械柔性，但固體凝膠電解質(zhì)對(duì)大厚度多孔電極的填充一直是個(gè)難題，導(dǎo)致大厚度高能量密度的固體智能充電器充電超級(jí)電容器的制造極具挑戰(zhàn)性，為此，研究人員報(bào)道了一種“自下而上”的填充方法克服了這些挑戰(zhàn)。利用該方法可將PVA/H3PO4固態(tài)凝膠電解質(zhì)填滿厚度達(dá)500μm 的MWNCT電極以及MWCNT-PEDOT/PSS復(fù)合電極。這種電極表現(xiàn)出了優(yōu)異的機(jī)械性能：卷曲至0.5mm使仍未見裂紋產(chǎn)生，5000次循環(huán)彎曲后保持95%的電容值，其中基于500μm厚的WMCNT-PEDOT/PSS的固態(tài)智能充電器充電超級(jí)電容器，其面電容值達(dá)到2662 mF cm-2@2 mV s-1，為目前最先進(jìn)的固體智能充電器充電超級(jí)電容器容值約5倍。相關(guān)成果以“High energy flexible supercapacitors formed via bottom-up infilling of gel electrolytes into thick porous electrodes”為題發(fā)表在Nature Communications上，論文第一作者為西安交通大學(xué)李祥明副教授。
【圖文導(dǎo)讀】
圖 1 自上而下和自下而上填充示意圖及其結(jié)構(gòu)表征
（a）自上而下的填充方法（從左到右：溶膠澆鑄在多孔電極上；多孔電極上方的溶膠凝膠形成膜；溶膠在多孔電極凝膠中，留下空隙；在從基底分離，獲得獨(dú)立的未完全填充的電極）；
（b）自下而上的填充方法；（從左到右：溶膠澆鑄在位于透氣基材上的多孔電極上，并覆蓋不滲透的薄膜；從底部向上形成凝膠，直到整個(gè)多孔電極充滿凝膠；除去基材后獲得獨(dú)立的凝膠填充電極）
（c）自上而下（左）和自下而上（右）方法填充凝膠電解質(zhì)的MWCNT電極頂部的SEM圖像。
2 自上而下和自下而上填充的FSSC的電化學(xué)性能對(duì)比
（a）CV和（b）GCD的曲線對(duì)比圖；
（c）在不同電流密度下，自上而下和自下而上填充的FSSC的面積電容圖；
（d）在0.5和5 mA cm-2時(shí)，自上而下和自下而上填充FSSC器件的面積電容的厚度依賴性關(guān)系圖。
3 凝膠填充方法與機(jī)械穩(wěn)定性的探究圖
（a，b）在0.5 mm半徑的玻璃管上卷起后，兩種方法制備的凝膠填充的約150 μm厚MWCNT電極的微裂紋實(shí)物圖；
（c，d）兩種彎曲FSSC器件的電化學(xué)性能圖；
（e）反復(fù)彎曲后，彎曲次數(shù)與電容保持率的關(guān)系圖。
4 500 μm厚PEDOT/PSS-WMCNT電極的FSSC性能
（a）CV曲線和（b）GCD曲線；
（c）自上而下和自下而上設(shè)計(jì)的阻抗圖；
（d）在不同電位窗口下，自下而上填充的500 μm厚PEDOT/PSS- MWCNT電極的FSSC的CV曲線；
（e）在不同電位窗口下，自下而上填充的500 μm厚PEDOT/PSS- MWCNT電極的FSSC的GCD曲線；
（f）面積Ragone圖。
【小結(jié)】
本文闡述了一種自下而上填充方法，可將固體凝膠電解質(zhì)填入大厚度的多孔電極，使電解質(zhì)離子對(duì)內(nèi)部電極表面的可獲得性最大化、離子擴(kuò)散路徑最小化，從而改善了大厚度FSSC的電化學(xué)性能。在機(jī)械性能方面，由于所填充的固態(tài)凝膠電解質(zhì)與多孔電極材料形成了機(jī)械互鎖，所以提高了器件的機(jī)械穩(wěn)定性，可在不減小電容的情況下卷起和反復(fù)彎曲。因?yàn)槟z電解質(zhì)形成過程中的體積收縮幾乎是普遍存在的，因此我們相信，這種自下而上的填充策略可廣泛用于不同多孔電極的填充，因此只要能夠制得大厚度的多孔電極，如果使用更為先進(jìn)的多孔贗電容電極，其電容值甚至可能高于目前的最佳值（2662 mF/cm2）
【成果簡(jiǎn)介】
近日，中國(guó)西安交通大學(xué)的邵金友和美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的Paul V. Braun（共同通訊）等人報(bào)道了一種固體凝膠電解質(zhì)填充方法，解決了固態(tài)凝膠電解質(zhì)與大厚度多孔電解的界面接觸問題。如果固態(tài)電解質(zhì)不完全填充多孔電極的內(nèi)部孔隙，將會(huì)降低固態(tài)智能充電器充電超級(jí)電容器的電學(xué)性能和機(jī)械柔性，但固體凝膠電解質(zhì)對(duì)大厚度多孔電極的填充一直是個(gè)難題，導(dǎo)致大厚度高能量密度的固體智能充電器充電超級(jí)電容器的制造極具挑戰(zhàn)性，為此，研究人員報(bào)道了一種“自下而上”的填充方法克服了這些挑戰(zhàn)。利用該方法可將PVA/H3PO4固態(tài)凝膠電解質(zhì)填滿厚度達(dá)500μm 的MWNCT電極以及MWCNT-PEDOT/PSS復(fù)合電極。這種電極表現(xiàn)出了優(yōu)異的機(jī)械性能：卷曲至0.5mm使仍未見裂紋產(chǎn)生，5000次循環(huán)彎曲后保持95%的電容值，其中基于500μm厚的WMCNT-PEDOT/PSS的固態(tài)智能充電器充電超級(jí)電容器，其面電容值達(dá)到2662 mF cm-2@2 mV s-1，為目前最先進(jìn)的固體智能充電器充電超級(jí)電容器容值約5倍。相關(guān)成果以“High energy flexible supercapacitors formed via bottom-up infilling of gel electrolytes into thick porous electrodes”為題發(fā)表在Nature Communications上，論文第一作者為西安交通大學(xué)李祥明副教授。
【圖文導(dǎo)讀】
圖 1 自上而下和自下而上填充示意圖及其結(jié)構(gòu)表征
（a）自上而下的填充方法（從左到右：溶膠澆鑄在多孔電極上；多孔電極上方的溶膠凝膠形成膜；溶膠在多孔電極凝膠中，留下空隙；在從基底分離，獲得獨(dú)立的未完全填充的電極）；
（b）自下而上的填充方法；（從左到右：溶膠澆鑄在位于透氣基材上的多孔電極上，并覆蓋不滲透的薄膜；從底部向上形成凝膠，直到整個(gè)多孔電極充滿凝膠；除去基材后獲得獨(dú)立的凝膠填充電極）
（c）自上而下（左）和自下而上（右）方法填充凝膠電解質(zhì)的MWCNT電極頂部的SEM圖像。
2 自上而下和自下而上填充的FSSC的電化學(xué)性能對(duì)比
（a）CV和（b）GCD的曲線對(duì)比圖；
（c）在不同電流密度下，自上而下和自下而上填充的FSSC的面積電容圖；
（d）在0.5和5 mA cm-2時(shí)，自上而下和自下而上填充FSSC器件的面積電容的厚度依賴性關(guān)系圖。
3 凝膠填充方法與機(jī)械穩(wěn)定性的探究圖
（a，b）在0.5 mm半徑的玻璃管上卷起后，兩種方法制備的凝膠填充的約150 μm厚MWCNT電極的微裂紋實(shí)物圖；
（c，d）兩種彎曲FSSC器件的電化學(xué)性能圖；
（e）反復(fù)彎曲后，彎曲次數(shù)與電容保持率的關(guān)系圖。
4 500 μm厚PEDOT/PSS-WMCNT電極的FSSC性能
（a）CV曲線和（b）GCD曲線；
（c）自上而下和自下而上設(shè)計(jì)的阻抗圖；
（d）在不同電位窗口下，自下而上填充的500 μm厚PEDOT/PSS- MWCNT電極的FSSC的CV曲線；
（e）在不同電位窗口下，自下而上填充的500 μm厚PEDOT/PSS- MWCNT電極的FSSC的GCD曲線；
（f）面積Ragone圖。
【小結(jié)】
本文闡述了一種自下而上填充方法，可將固體凝膠電解質(zhì)填入大厚度的多孔電極，使電解質(zhì)離子對(duì)內(nèi)部電極表面的可獲得性最大化、離子擴(kuò)散路徑最小化，從而改善了大厚度FSSC的電化學(xué)性能。在機(jī)械性能方面，由于所填充的固態(tài)凝膠電解質(zhì)與多孔電極材料形成了機(jī)械互鎖，所以提高了器件的機(jī)械穩(wěn)定性，可在不減小電容的情況下卷起和反復(fù)彎曲。因?yàn)槟z電解質(zhì)形成過程中的體積收縮幾乎是普遍存在的，因此我們相信，這種自下而上的填充策略可廣泛用于不同多孔電極的填充，因此只要能夠制得大厚度的多孔電極，如果使用更為先進(jìn)的多孔贗電容電極，其電容值甚至可能高于目前的最佳值（2662 mF/cm2）
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