基於液態金屬電極和集成功能化碳納米管的全柔性超級電容器

導讀

柔軟的能量存儲設備，如超級電容器，是為集成的柔性微系統供電的基本組件。然而，傳統的超級電容器主要是使用硬/脆性材料製造的，這些材料容易開裂。因此，要實現全柔性超級電容器，電極必須柔軟、可拉伸、導電性好且不影響電化學性能。

基於以上現狀，美國喬治亞理工學院Oliver Brand等在國際知名期刊ACS NANO上發表題為「All-Soft Supercapacitors Based on Liquid Metal Electrodes with Integrated Functionalized Carbon Nanotubes」的論文。Seung Woo Lee為本文的共同通訊作者，Min-gu Kim和Byeongyong Lee為本文共同第一作者。

圖1. 圖片概要

本文介紹了一種基於鎵銦液態金屬(共晶鎵銦合金，EGaIn)電極與集成功能化碳納米管(CNTs)的集成柔軟微系統用全柔性超級電容器。碳納米管表面的氧官能團保證了功能化的碳納米管與EGaIn表面的薄的天然氧化層之間的強附著力，即使在機械變形的情況下也能實現無脫層的柔性、可拉伸的電極。

此外研究了在無外加機械變形和無外加機械變形的情況下，製備的全軟超級電容器的電化學性能。所制超級電容器的表面電容高達12.4 mF cm-2，在30%的應變作用下，其性能幾乎沒有變化。經過4200次的充放電循環，它們仍保持95%的原始電容，周期性施加的應變為30%。最後，製作的超級電容器已成功地與商用發光二極體集成，以演示集成的柔性微系統。

背景簡介

1.柔性超級電容器在柔性儲能方向的前景及挑戰

柔性功能材料及其製造技術的進步使皮膚或身體集成的傳感系統能夠用於醫療保健和醫療應用。雖然柔性和可拉伸的傳感器已經成功地進行了演示，但是它們與通常堅硬和沉重的固態儲能元件的系統級集成是目前一個主要的困難。在這方面，開發柔性儲能設備被認為是為柔性電子設備供電的核心技術。在可能的儲能設備中，超級電容器因其快速的供電和較長的使用壽命而成為很有前途的移動儲能設備。

然而，傳統的超級電容器電極主要是由塗覆料漿材料製造的，這種材料含有活性材料，如過渡金屬氧化物，以及導電材料，如碳納米材料，通過聚合物粘合劑塗覆到金屬集電體上。這些剛性集電器在機械和電氣上的應變達不到1%的量級，而塗覆的活性/導電材料很容易破裂，最終會由於機械變形而從集電器上脫層，這使它們在皮膚或身體集成應用中面臨挑戰。皮膚或身體集成應用需要承受30%的應變，考慮到人類皮膚產生的應變範圍。因此，開發出既能承受機械變形又不影響導電性的柔性可拉伸電極被認為是實現柔性儲能設備的關鍵因素之一。

2. 柔軟的液相導體是有希望的解決方案

為了獲得柔軟且可伸縮的電極和超級電容器，研究人員探索了以設計和材料為重點的方法。但在實現軟的和可拉伸的能量存儲設備的軟的和可拉伸的電流收集器及其集成到軟的微系統的技術挑戰仍然存在。在這方面，使用材質上柔軟的液相導體，如共晶鎵銦合金(EGaIn)，為能量存儲設備應用的全軟和可變形電極提供了一個有希望的解決方案。

文章介紹

在這項工作中，作者提出了一種基於EGaIn電極和集成氧功能化碳納米管的集成柔性微系統全柔性超級電容器。材質上上柔軟和金屬導電EGaIn用於創建可拉伸的電流收集器和電路，且不需要蛇形或幾何形狀。在碳納米管(氧化碳納米管，O碳納米管)表面化學地加入氧官能團，使其能夠與EGaIn表面的薄的天然氧化物層產生強烈的相互作用，使其成為全軟超級電容器耐用、柔軟和可伸縮電極的可行解決方案。

研究了無外加機械變形和有外加機械變形的全軟超級電容器的電化學性能。此外，製作的超級電容器已經集成到一個帶有商用發光二極體(LED)的電路中，以演示一個簡單的集成軟微系統。

圖2. 基於O - CNT/EGaIn的柔性可拉伸電極製備，用於儲能設備

(a) Schematic of an integrated soft microsystem, comprising soft electronic devices and a soft energy storage element in the form of an all-soft supercapacitor, composed of soft electrodes and a soft separator filled with liquid electrolyte. (b) Fabrication process of O−CNT-integrated EGaIn electrodes: (i−iv) additive stamping process based on soft lithography for large-area EGaIn patterning and (v) O−CNT integration via layer-by-layer adsorption process and selective patterning using a shadow mask

文章連結:

All-Soft Supercapacitors Based on Liquid Metal Electrodes with Integrated Functionalized Carbon Nanotubes

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c00129

老師簡介:

Oliver Brand Professor

Executive Director, Institute for Electronics and Nanotechnology Bioengineering, Microelectronics/ Microsystems; Georgia Institute of Technology. Research: MEMS/NEMS; Microsensors for Physical, Chemical and Biological Applications; Microsensor Fabrication based on IC Technologies; Microsystem Packaging.