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同济大学:高分子复合水凝胶在可拉伸、可修复超级电容器重要进展

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发表于 2019-3-2 21:54:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
尽管之前已有可修复且可拉伸的超级电容器的相关报道,但是它们的修复性能较差,并且能够承受的断裂/修复循环次数较少,主要是因为构成超级电容器的电极材料和凝胶电解质的可修复性能较差。
日前,同济大学陈涛教授课题组在NatureCommunications上发表了题为“Ultrastretchableandsuperiorhealablesupercapacitorsbasedonadoublecross-linkedhydrogelelectrolyte”的研究论文。论文报道了一种基于新型高分子复合水凝胶的超级电容器,该电容器不仅具有超高的可拉伸性,还能够在红外光照或加热条件下实现快速修复,且具有较高的容量保持率。该论文通讯作者是陈涛教授,第一作者是化学科学与工程学院2016级博士生李惠丽。
具有抗拉伸、可修复的柔性、智能、可穿戴电子产品的出现,传统的刚性、块状电池显然难以满足上述电子器件的需求,亟需开发与之相匹配的可修复、抗机械力破坏的能量储存器件。对于凝胶电解质而言,目前普遍采用的聚乙烯醇基凝胶电解质本身并不具有可修复性和拉伸性能,而具有三维网络交联结构的高分子水凝胶则可以通过功能化赋予其较高的离子电导率、可修复行和可拉伸性能,有望实现具有超高可拉伸性、可愈合的多功能超级电容器。
同济大学:高分子复合水凝胶在可拉伸、可修复超级电容器重要进展
基于上述考虑,陈涛教授课题组以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAEMA)为单体、以锂藻土(Laponite)和氧化石墨烯(GO)为双重交联剂,通过简单的自由基共聚反应合成了双重交联的聚-(AMPS-co-DMAEMA)/Laponite/GO高分子复合水凝胶,并通过改变聚合体系中单体、交联剂等的含量对高分子复合水凝胶的力学性能、离子导电性及可修复性进行了系统调控。以该高分子复合水凝胶取代传统的聚乙烯醇基凝胶电解质、以碳纳米管或其复合膜作为电极材料,通过预拉伸水凝胶电解质,构筑了双电极体系的超级电容器器件。
上述方法所制备的超级电容器表现出超高的可拉伸性,在被拉伸至初始长度的10倍时,器件的容量仅衰减13%;同时,被切断的超级电容器在红外光(波长808nm)及加热(80℃)两种条件下均能进行修复,器件被切断/愈合15-20次,其容量保持率依然在90%以上,表现出优异的可修复性。值得一提的是,被切断/修复后的超级电容器不仅能保持其电化学性能,还能保持其超高的可拉伸性能(900%),且被拉伸900%时其容量仅仅衰减15%左右。高分子水凝胶具有柔性好、制备工艺简单、易功能化设计等特点,在柔性、智能、可穿戴能量储存或转换器件领域具有广阔的应用空间。
该工作得到了国家自然科学基金、上海市教委、上海市科委、上海市委组织部、中央高校基本业务费和同济大学基金等项目的支持。
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