物理所宏觀碳納米結構復合界面設計研究取得進展

　　隨著電子皮膚、柔性手機等概念的相繼提出和研究的不斷深入，作為柔性電子系統的重要組成部分，新型（如柔性，可拉伸，可彎折等）能量儲存和供給單元正迅速被人們所重視。發展具有高能量密度、高功率密度及高循環穩定性的輕薄新型能量存儲器件（例如：薄膜超級電容器）勢在必行。目前柔性可拉伸超級電容器研究已取得一定進展，但其性能卻遠不能滿足應用需求。若想得到電化學性能優異、拉伸性能＞100%的超級電容器，其關鍵問題是實現高可拉伸的復合電極，耐拉伸的復合界面和一體化的器件結構。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室“納米材料與介觀物理”研究小組，多年來一直致力于碳納米結構的制備、物性與應用基礎研究，近年來在宏觀碳納米結構及其復合材料的構筑、性能和應用探索方面取得了系列成果（Nano Lett. 2011, 11, 4636； Energ. Environ. Sci. 2011, 4, 1440； Energ. Environ. Sci. 2012, 5, 8726； Adv. Funct. Mater. 2012, 22: 5238； Adv. Mater. 2013, 25, 1058, Sci. Rep. 2013, 3, 3048）。最近，在以往工作的基礎上，該課題組在宏觀碳納米結構復合界面設計與其在可拉伸/可折疊超級電容器的應用探索方面取得了新進展。

　　（1）該課題組博士生張楠、研究員周維亞、中科院院士解思深等人，研究了碳納米管基復合材料的界面結構、形成機制和性質，探討了界面多尺度耦合效應對性能的影響，探索了碳納米管的優異的力學、電學性質在宏觀尺度碳納米復合體系上的保持、傳遞及其演變等基本科學問題。進一步解決了連續制備的SWCNT分級網絡結構薄膜在約10%應變下出現宏觀尺度裂紋的問題，制備出了高抗拉伸（120-140%伸長量）碳納米管基復合薄膜電極，組裝出全固態、高抗拉伸、一體化、高性能的超級電容器，在0-120%往復拉伸過程中其性能保持穩定，顯示出在便攜、生物兼容、皮膚型器件中的應用前景。相關工作發表在Nano Res.（2014, 7, 1680-1690）上。

　　（2）該課題組與新加坡南洋理工大學材料科學與工程學院牛志強博士和陳曉東教授合作，設計了幾種贗電容型電極結構，如：還原氧化石墨烯（rGO）與纖維素紙（cellulose fibers, CFs）的堆積結構和納米結構復合電極，探究了電解質在不同界面的傳輸能力。發展了一種石墨烯和紙納米復合的新方法，得到了充分利用石墨烯比表面積和導電性的石墨烯與紙的復合結構。以這種獨特的微納復合結構為模版，構筑了一種柔性可折疊的PANI-rGO/CF分級結構復合紙，組裝出一種柔性可折疊全固態超級電容器，其電化學性能得到有效提高，電極比電容達460 F/g，當將電容器折疊到180°時，質量比電容損失僅為5%，為全固態超級電容器實現在彎折動態過程中保持性能穩定提供了可能。研究結果發表在Adv. Mater.（2014, 26, 4855-4862）上。

　　相關研究得到了科技部、國家自然科學基金委和中科院有關基金的支持。

圖1 一體化可拉伸SWCNT/PANI 超級電容器的界面結構的SEM圖像和示意圖。

圖2 一體化可拉伸SWCNT/PANI 超級電容器在有無拉伸狀態下的電化學測量曲線。

圖3 分別基于緊密型rGO/CF復合紙、納米結構rGO/CF復合紙和分級結構PANI-rGO/CF復合紙的常規超級電容器的電化學測量結果；不同PANI沉積時間下分級結構PANI-rGO/CF復合紙的比電容。

圖4 全固態超級電容器在不同彎曲(a)和折疊(b)狀態下的比電容變化。