東華大學廖耀祖團隊：共軛微孔聚合物纖維狀柔性可穿戴儲能器件

2020-08-29 小材科研

隨著人們對可穿戴智能電子產品需求量的不斷增加，柔性可穿戴式器件以其輕質、柔韌、靈活和高效等特點受到人們的廣泛關注。與塊狀和薄膜器件相比，纖維狀儲能器件因其獨特的一維結構而表現出優異的柔軟性、可編織性、變形適應性和透氣導溼的特點，是最具潛能的儲能器件之一。然而，目前所製備的導電纖維材料通常難以滿足能量密度、功率密度以及機械性能兼具的要求，是該領域挑戰性研究課題之一。共軛微孔聚合物（Conjugated Microporous Polymers, CMPs）是一類由全共軛高分子網絡圍築、自具孔結構的新興功能材料，通過分子設計可額外引入電活性官能團，可充分發揮雙電層和贗電容兩種儲能基質，是一類具有高比電容和高循環穩定性的電極材料。然而，CMPs粉末不溶不熔，難以加工成纖維並製備得高性能纖維狀超級電容器。

基於以上挑戰，東華大學材料科學與工程學院、纖維材料改性國家重點實驗室廖耀祖教授團隊利用課題組發展成熟的Buchwald-Hartwig交叉偶聯方法，採用三(4-溴苯基)胺為「核」構築單元，苯胺、吡啶和氨基蒽醌為偶聯構築單元，在共價鍵溴化處理的碳納管纖維表面原位合成得不同電化學活性的富氮共軛微孔聚三苯胺（PTPA）網絡，製備得到一系列聚合物功能多孔纖維（CNF@CMPs）。

圖1 CNF@CMPs纖維的設計合成

研究表明，當單體濃度處於最適濃度時（0.625mM），製備所得的CNF@PTPA3具有良好的電化學性能和循環穩定性，其三電極體系下的比電容為670 mF cm-2 (電流密度為1 mA cm-2，0.5 M H2SO4)，循環8000次後可仍然保持70%的起始電容；進而組裝成對稱纖維狀柔性超級電容器的能量和功率密度分別為18.33μWh cm-2和1.25 mW cm-2，彎曲10000後（135o）的電容保持率為84.5%。CNF@PTPA3較高的電化學性能和優異的柔韌穩定性能得益於PTPA3的微孔特徵和強氧化還原特性及其電子傳輸協同效應，以及CNF的高電導率和柔韌性。該研究工作為高性能纖維狀能源存儲多孔纖維材料的理性設計提供了新思路。

圖2 CNF@CMPs纖維狀儲能器件組裝

研究以「Conjugated Microporous Polymer Network Grafted Carbon Nanotube Fibers with Tunable Redox Activity for Efficient Flexible Wearable Energy Storage」為題在線發表於國際知名期刊Chemistry of Materials (DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c02089)。東華大學系該論文第一完成單位，青年教師呂偉博士為第一作者，廖耀祖教授為唯一通訊作者。

該研究工作得到了國家自然科學基金、上海市曙光人才計劃、上海市自然科學基金、上海市「一帶一路」國際聯合實驗室、中央高校基本科研業務費重點項目等經費的支持。

來源：東華大學

論文連結：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c02089

相關焦點

  • 南京郵電大學賴文勇教授:共軛多孔聚合物在電化學儲能領域的新應用
    近年來，共軛聚合物備受關注，在有機電致發光（OLED）、有機太陽能電池（OPV）、有機場效應電晶體（OFET）等領域得到了廣泛的應用。然而，共軛聚合物作為活性材料在儲能器件，如超級電容器等電化學儲能領域的應用卻鮮見報導。這主要是由於現有的共軛聚合物大多比電容較低、循環穩定性不高以及氧化還原可逆性較差等，使其作為超級電容器的電極材料受到很大的限制。
  • 東華大學王宏志團隊《ACS AMI》:基於穩定水凝膠電解質的柔性且可...
    ，對柔性能源器件的高性能和高安全性提出了更高的需求。近來，東華大學材料科學與工程學院王宏志教授課題組已在可穿戴熱電器件和固態鋰電池領域開展了相關工作，開發了基於碳納米管互穿二硫化鉬薄膜的高輸出電壓的熱電腕帶（Adv. Funct.
  • 東華大學王宏志團隊《ACS AMI》：基於穩定水凝膠電解質的柔性且可水下使用的鋅離子電池
    柔性可穿戴電子產品的蓬勃發展，對柔性能源器件的高性能和高安全性提出了更高的需求。近來，東華大學材料科學與工程學院王宏志教授課題組已在可穿戴熱電器件和固態鋰電池領域開展了相關工作，開發了基於碳納米管互穿二硫化鉬薄膜的高輸出電壓的熱電腕帶（Adv. Funct.
  • 大連化物所共軛微孔高分子應用於超級電容器研究獲進展
    超級電容器作為一種新型環保儲能器件已被廣泛應用於混合動力電動車。由於其通過雙電層機理在電極上存儲大量電荷，所以尋找具有高比表面積、高導電的電極材料（通常是多孔碳材料），成為提高器件容量的關鍵。研究人員發現，氮摻雜的碳材料可以通過氮原子引入贗電容，從而能存儲更多的電能。
  • 將相變儲能材料膜用於可穿戴熱管理器件
    在人體彎曲動作中，柔性器件仍保持穩定的熱管理性能。本報訊（記者劉萬生通訊員寇豔）近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員史全團隊與催化基礎國家重點實驗室研究員吳忠帥團隊合作，開發了一種柔性相變儲能材料膜，並將其與柔性石墨烯膜相結合應用於可穿戴熱管理器件。研究成果近日發表在《能源存儲材料》上。
  • 科學網—將相變儲能材料膜用於可穿戴熱管理器件
    將相變儲能材料膜用於可穿戴熱管理器件 本報訊（記者劉萬生 通訊員寇豔）近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員史全團隊與催化基礎國家重點實驗室研究員吳忠帥團隊合作，開發了一種柔性相變儲能材料膜，並將其與柔性石墨烯膜相結合應用於可穿戴熱管理器件。研究成果近日發表在《能源存儲材料》上。
  • 科學家將相變儲能材料膜用於可穿戴熱管理器件
    近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員史全團隊與催化基礎國家重點實驗室研究員吳忠帥團隊合作，開發了一種柔性相變儲能材料膜，並將其與柔性石墨烯膜相結合應用於可穿戴熱管理器件。相變儲能材料能夠在恆定溫度下吸收和釋放大量潛熱，可作為一種高效熱能儲存與溫度控制介質廣泛應用於電子器件熱管理領域。
  • 中科院研發出柔性相變儲能薄膜可用於可穿戴領域
    相變儲能材料能夠在恆定溫度下吸收和釋放大量潛熱，可作為一種高效熱能儲存與溫度控制介質廣泛應用於電子器件熱管理領域。然而，傳統相變儲能材料一般利用其固液相變行為進行儲能與控溫，固相材料因剛性大而不具備柔性，液相材料在相變過程中會發生洩漏，無法應用於柔性可穿戴器件熱管理。
  • 我國科學家將相變儲能材料膜用於可穿戴熱管理器件
    近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員史全團隊與催化基礎國家重點實驗室研究員吳忠帥團隊合作，開發了一種柔性相變儲能材料膜，並將其與柔性石墨烯膜相結合應用於可穿戴熱管理器件。相變儲能材料能夠在恆定溫度下吸收和釋放大量潛熱，可作為一種高效熱能儲存與溫度控制介質廣泛應用於電子器件熱管理領域。
  • 大連化物所史全/吳忠帥合作《ESM》：柔性相變儲能材料膜
    ，與催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組（508組）研究員吳忠帥團隊合作，通過簡單易行的合成策略，開發出一種柔性相變儲能材料膜，並將其與柔性石墨烯膜相結合應用於可穿戴熱管理器件。該相變材料膜機械柔性好、形狀可裁剪及摺疊、冷熱循環壽命長，相變過程中材料始終保持固態，可實現大尺寸製備，並為開發高性能柔性相變儲能材料及熱管理器件提供新的方法與思路。相變儲能材料能夠在恆定溫度下吸收和釋放大量潛熱，可作為一種高效熱能儲存與溫度控制介質應用於電子器件熱管理領域。
  • 東華大學陳南梁/廈門大學劉向陽《AFM》：在柔性可拉伸超級電容器領域取得新進展
    近日，東華大學紡織學院產業用紡織品教育部工程研究中心陳南梁教授團隊與廈門大學劉向陽教授團隊合作在柔性可拉伸超級電容器領域取得重要進展，相關成果以該論文第一作者為紡織學院17級博士生邵光偉，紡織學院陳南梁教授、廈門大學劉向陽教授、葉美丹副教授為通訊作者。超級電容器，特別是可拉伸全固態超級電容器，由於其在可穿戴電子領域的潛在應用性而受到廣泛關注。
  • 可穿戴設備新方向?復旦發明新型纖維狀聚合物發光電化學池
    、高分子及其先進複合材料協同創新中心、先進材料實驗室彭慧勝教授課題組成功實現了一種新型纖維狀聚合物發光電化學池，為可穿戴設備的應用提供了一個全新的方向。纖維狀聚合物發光電化學池組裝成「FUDAN」標識近年來，傳統的平面電子器件已經難以滿足人們的需求。與此同時，柔性、輕質、可穿戴電子設備受到了人們密切關注。目前，可穿戴電子設備已經廣泛應用於微電子、生物醫藥、運輸和航空航天等多個領域。隨著可穿戴纖維狀能源器件的不斷發展，人們對於纖維狀發光器件也提出了更高的要求。
  • 共軛微孔高分子應用於超級電容器研究取得新進展—新聞—科學網
    中科院大連化物所
  • 我國科學家研發出柔性相變儲能材料膜
    >，並將其與柔性石墨烯膜相結合應用於可穿戴熱管理器件。大連化物所研發出柔性相變儲能材料膜並應用於可穿戴熱管理器件該相變材料膜機械柔性好、形狀可裁剪及摺疊、冷熱循環壽命長，相變過程中材料始終保持固態，可實現大尺寸製備，並為開發高性能柔性相變儲能材料及熱管理器件提供新的方法與思路。
  • 【材料】中山大學童葉翔教授及其合作者在陽光碟機動的可穿戴儲能器件研究領域取得新進展
    隨著智能可穿戴電子設備的蓬勃發展，人們對於輕便的可攜式柔性可持續電源的需求日益凸顯，可穿戴的新型電源成為一種重要的思路和趨勢。
  • 柔性可穿戴器件的散熱問題被中國科學家解決了
    近年來，柔性可穿戴電子器件發展迅速，其應用性廣、實用性強，因此逐漸在日常生活中嶄露頭角，同時也成為科學界和工業界共同青睞的新興領域。此外，因為現代人們對於健康生活日益增長的需求，可穿戴電子器件、柔性電子科技等研究在生命健康領域頗受歡迎，如智能手錶、運動手環、心臟起搏器等等，已經成為監護身體健康生物信號的重要護航者，具有非常廣闊的產業前景。
  • 織物複合電極在柔性電化學儲能器件中的機遇與挑戰
    除此之外，織物基電化學儲能器件也展現出優良的透氣性、透水性、以及穿著舒適性。因而，其在柔性、可穿戴電子領域中具有廣闊的應用前景。成果簡介鑑於此，香港理工大學鄭子劍教授團隊針對近期織物複合電極在柔性電化學儲能器件中的應用與發展進行了綜述和展望。
  • 高效柔性儲能器件規模化製備技術問世
    本報訊（記者鄭金武）中科院電工研究所研究員王凱團隊在高性能柔性儲能器件製備技術方面取得新進展，開發出一種高比能柔性固態鋰離子電容器的規模化製備技術。此項研究工作由該研究團隊聯合國家納米科學中心、大連清潔能源國家重點實驗室、中科院化學研究所、武漢理工大學等機構共同完成。相關研究成果近日發表於《先進材料》。隨著可穿戴智能設備在運動、醫療健康等領域的廣泛應用，發展與之相適應的柔性可彎曲電化學儲能器件成為一項重要需求。
  • 青島大學在柔性儲能器件電極材料研究領域取得重大進展
    近期，青島大學材料科學與工程學院博士研究生王超（導師：趙修松教授、王憲芬副教授）在柔性儲能器件電極材料研究方向取得重大進展，其關於「Hollow Rutile Cuboid Arrays Grown on Carbon Fiber Cloth as a Flexible Electrode for Sodium-Ion Batteries
  • 青島大學合作在柔性可穿戴器件方面取得重大進展
    日前，青島大學物理科學學院副教授孫彬等與上海交通大學黃興溢教授，中國科學院院士、上海大學張統一教授等合作研發了一款具有高效熱管理能力且可用於實時運動監測分析的高性能柔性可穿戴應變傳感器。對於柔性可穿戴電子器件而言，除卻器件本身功能