電子設備怕凍又怕燙怎麼辦？中南大學《AFM》：長期抗凍抗幹的柔性超級電容器

2020-09-27 高分子科學前沿

隨著可攜式和可穿戴電子設備的快速發展，柔性能量存儲設備已引起越來越多的關注。除了電極材料之外，柔性電解質的發展是獲得柔性器件的關鍵因素。其中，水凝膠電解質通過賦予其類似液體的離子傳輸和類似固體的機械彈性，刺激了柔性儲能裝置的發展。但是，大多數用水凝膠組裝的超級電容器的可工作溫度範圍很小。大家一定都有自己的電子設備在冬天無法工作的經歷，而且電子設備也會常常因為發燙而罷工。這些水凝膠中的大量水在低溫下會結冰，在高溫下會變得易揮發，這兩種情況都會導致設備發生故障。因此，開發出高性能的，抗凍、抗乾燥的水凝膠電解質應用於柔性超級電容器，並改善其針對機械變形和惡劣氣候條件的長期穩定性具有重要意義。

中南大學李娟教授和孫曉毅副教授等人基於有機水凝膠電解質（OHE）和活性炭電極材料組裝了柔性超級電容器（OHEC）。OHE由浸泡在4 m LiCl /乙二醇（EG）中的PAMPS / PAAm雙網絡水凝膠組成，並具有良好的電導率。OHEC表現出廣泛的溫度適應性（-20~80°C）和非凡的抗機械損傷能力。OHEC避免了在低溫下的極化，並且在-20°C下存儲30天後仍保持77.8％的電容保持率。OHEC出色的抗乾燥性能和改善的界面相容性使其在高溫環境下具有良好的耐久性。該研究以題為「Flexible Supercapacitor Based on Organohydrogel Electrolyte with Long-Term Anti-Freezing and Anti-Drying Property」的論文發表在《Advanced Functional Materials》上。

【研究內容】

該研究構建了基於PAMPS / PAAm的OHE柔性超級電容器，合成過程如圖1所示。首先，作者通過兩步自由基聚合獲得雙網絡水凝膠（PAMPS / PAAm）。其次，將PAMPS / PAAm水凝膠浸入含有LiCl的EG溶液中幾天，直到電解質溶液完全滲透到水凝膠中。最後，將獲得的有機水凝膠用作電解質，並在兩面塗有商用活性炭，以製成柔性「三明治」超級電容器。所獲得的OHEC在-20至80°C的範圍內穩定工作，比報導的基於水凝膠或有機水凝膠電解質的超級電容器的範圍更廣。OHEC在-20°C下放置30天後的電容保留率為77.8％，在80°C 10000次循環後為91.3％。此外，OHEC還顯示出卓越的靈活性，在以不同角度粉碎或彎曲100千克後，其比電容幾乎保持不變。這項工作為OHE在電子皮膚、南極科學研究、消防等領域的儲能設備中的應用鋪平了道路。

圖1 OHEC的製備示意圖

【零下20℃不怕凍！】

如圖2a所示，即使在-20°C下經過10000次循環後，OHEC仍保留97.9％的初始電容。CV曲線（圖2c）表明，低溫儲存3天後，HEC中發生了嚴重的極化，而OHEC則保持了幾乎矩形的形狀。儘管OHEC的離子電導率較低，但是OHE可以消除在-20°C時的電化學極化，並為柔性儲能設備提供了寬廣的溫度範圍。為了研究低溫下的長期性能，將OHEC和HEC儲存在-20°C，並隨時間記錄其比電容。結果顯示（圖2d），HEC的比電容在2小時內迅速下降，僅剩電容的18.9％。相反，OHEC的比電容在低溫下長期穩定，在1 A/g的電流密度下保持30天的電容保持率為77.8％。在-20°C下儲存30天後，OHEC的質量能密度為5.83 Wh·kg-1，功率密度為999.4 W·kg-1，這表明OHEC在低溫下具有很大的實際應用潛力。

圖2 OHEC在−20°C時的電化學性能

【接近100℃不怕燙！】

與HEC相比，OHEC在高溫下具有顯著的抗乾燥性能，顯示出在實際應用中的潛力。如圖3a，b所示，兩個超級電容器在80°C時表現出明顯的電容穩定性。HEC在80°C下放置2 h後完全失效，無法正常充電或放電。相比之下，OHEC在80°C下可長時間正常工作。一方面，溫度升高加速了離子遷移速率。另一方面，溫度升高還導致未密封裝置中的水揮發和電解質的粘度增加。粘度增加會阻礙離子遷移，並且器件的電容會逐漸減小並達到平衡狀態。由於EG在197.3°C下的高沸點，OHE中剩餘的電解質在80°C下很難蒸發。因此，OHEC的比電容在80°C下放置24 h後變得穩定。OHEC在56 h後在80°C下的電容保持率為77.3％（圖3a）。OHEC在80°C下經過10 000次循環後顯示出顯著的循環穩定性，保留率為91.3％，遠優於HEC（圖3b）。

圖3 OHEC在80°C時的電化學性能

總結：作者將對稱的全固態超級電容器（OHEC）與包含有機電解質溶液（4 m LiCl / EG）的雙網PAMPS / PAAm的OHE組裝在一起。OHEC在較大的變形行為下實現了機械韌性，並在較寬的工作溫度範圍（-20~80°C）下具有長期的電容保持能力。OHE有效地拓寬了電壓範圍，並避免了低溫下的電化學極化。同時，OHE使超級電容器具有更好的界面相容性，並防止溶劑在高溫下蒸發，從而保護器件免受熱損害。該研究對具有廣泛溫度適應性和機械柔韌性的OHE的研究將進一步觸發柔性儲能設備的其他應用。

原文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007291

來源：高分子科學前沿

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