美國圣路易斯華盛頓大學：自編織納米網打造抗沖擊柔性電極

【引言】

近年來柔性電子器件作為未來電子器件發展的方向之一備受矚目。由此，可穿戴器件、醫用可植入器件、電子皮膚以及智能電子織物等概念被不斷提出，組成了未來人類生活藍圖的一部分。當電子器件依附于人體工作時，彎曲與碰撞在所難免。然而，為了高性能與高集成度，現有的電子器件大多基于結構脆弱的微米或納米材料，在彎曲或碰撞時造成的材料結構坍塌會使器件失靈。如何賦予高性能納米柔性器件抗沖擊性，使其在接受物理沖擊后仍然正常工作是一大挑戰。現有的提高器件抗沖擊性的策略主要從封裝工藝上出發，將脆弱的活性材料包裹在堅硬的抗沖擊外殼中。然而，這種策略不但使得器件不再具有柔性，并且抗沖擊外殼的使用提高了制造成本、增加了器件重量與體積。

【成果簡介】

近日，圣路易斯華盛頓大學的Julio?M D’Arcy教授團隊提出了一種“電極納米工程”的策略，首次 論證了通過選擇合適的材料以及設計合理的結構可以使柔性納米電極本身具有抗沖擊性。在提出的抗沖擊電極材料設計策略中，材料自身的柔性以及納米結構的水平取向是兩個關鍵點。為了論證這一策略，該組首次通過晶體生長誘導自編織的方法合成了由水平取向聚 (3,4-乙烯二氧噻吩)（PEDOT，一種導電聚合物）納米纖維交織而成的納米網。即使沒有堅硬的外殼，抗沖擊納米電極及其制成的柔性器件在接受能量密度為125 kJ/m²?的物理沖擊之后性能仍然得到了保持。相比之下，鋼材、木材及碳纖維等材料在分別接受50 kJ/m²，14 kJ/m²?及0.8 kJ/m²?的沖擊后便會產生斷裂。該成果作為封面文章近日發表在RSC新刊Sustainable?Energy?&?Fuels上。

【圖文導讀】

圖1. 傳統納米電極與本文提出的水平取向柔性納米網電極抗沖擊性能比較示意

圖2. 一種獨特的液-氣混合相氧化自由基聚合被用于一步合成具有高導電率（334 S/cm）與高比電容（164 F/g）的PEDOT納米網電極。在這種合成方法中，氯化鐵溶液作為聚合反應的引發劑與氧化劑被置于玻璃基底上，置于含有3,4-乙烯二氧噻吩單體蒸汽的反應器中。隨后，反應器加熱引發氯化鐵溶液的水解，形成的β-FeOOH納米紡錘在奧斯瓦爾德熟化與聚合物依附的共同作用下生長并轉化為長徑比超過1,000的PEDOT納米纖維。異相成核的機制使得這些納米纖維自編織成為交織的納米網

圖3. 水平取向PEDOT納米纖維網電極的結晶性、導電性及抗沖擊性能測試

圖4. 基于水平取向PEDOT納米纖維網的超級電容器的電化學表征以及抗沖擊性能研究。由于納米級別的網絡提供了大量表面積用于儲存電荷，所得的超級電容器的能量密度（最高5.7W h?kg^-1）、功率密度（最高48kW?kg^-1）與比電容（164F/g）高于以往基于PEDOT的柔性超級電容器(比電容約120F/g)。器件在經受125?kJ/m²的沖擊后仍能充放電超過10,000周。在遭受40次125?kJ/m²的沖擊后，比電容衰減僅為6%。

圖5. 基于水平取向PEDOT納米纖維網的超級電容器的柔性測試與電化學表征，器件在彎曲0°至150°時仍正常工作。

【小結】

這項工作論證了利用材料的柔性及其水平取向，納米電極自身也可以擁有高抗沖擊能力，制造的柔性器件在經受重復的、高強度的沖擊之后仍能正常工作而性能不變。這為今后柔性電子器件的實際應用打下了基礎。

文獻鏈接：Self-woven nanofibrillar PEDOT mats for impact-resistant supercapacitors （DOI：10.1039/C8SE00591E）

本文由圣路易斯華盛頓大學的Julio?M D’Arcy教授團隊供稿，材料人編輯部編輯。

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