石河子大學劉志勇團隊：基于共價鍵自支撐的柔性超級電容器

【引言】

在過去十年中，柔性可穿戴的微電子設備及其系統在移動通訊、生物醫學、消費電子、體育、清潔能源和環境等領域得到了極大的重視。因此，柔性電子產品的商業化給已經成熟的電化學能量存儲系統帶來了新的發展機遇。新儲能設備需要在彎曲、折疊、扭轉、拉伸等連續的機械形變下，依然保持良好的穩定性。碳布因其具有良好的導電性，而常被用作柔性集流體材料，但是如何在其表面負載電極材料，并能保證其在頻繁機械形變下，依然能保持其性能不變的問題，仍面臨著挑戰。

【成果簡介】

近日，石河子大學化學化工學院劉志勇課題組在Chemical Engineering Journal上發表了題為Self-supported Flexible Supercapacitor Based on Carbo Fibers Covalently Combined with Monoaminophthalocyanine（DOI:?10.1016/j.cej.2019.123535）的研究性文章。報道了通過共價鍵將酞菁接枝在碳布上作為柔性電極材料，并應用于對稱性柔性超級電容器。在這項工作中，他們通過等離子體處理碳布表面，再經酸化，通過酰胺反應將單氨基酞菁接到碳布上。通過等離子體處理過后的碳布表面會形成類石墨烯結構，這對于提高碳布的比電容起到了一定的作用，并且對碳布表面上的碳層起到了一定的活化作用，繼而有利于下一步的酸化，酸處理后碳布上的羧基可以和單氨基酞菁上的氨基形成酰胺。酞菁的共軛結構，可以進一步提高電極材料的電容，在連續的機械形變下，可以實現長周期性能不變。該研究的亮點在于共價鍵代替導電粘結劑將集流體和電極材料進行復合，為推進高穩定性柔性電極材料的設計制備提供了新思路。石河子大學劉志勇教授和孟桂花副教授為本文通訊作者，碩士研究生羅艷為第一作者。

【圖文解讀】

合成路線

GCC-PcNH₂合成示意圖

結構表征

(a) 碳布（CC）表面的SEM圖;

(b), (c) 等離子體處理后的碳布(GCC);

(d)?酸化后的碳布(GCC-COOH);

(e), (f)?酞菁改性后的碳布(GCC-PcNH₂);

(g), (h) 等離子體處理后的TEM。

(a) CC,GCC和GCC-COOH拉曼圖譜;

(b) CC,GCC，GCC-COOH和GCC-PcNH₂的紅外圖譜。

(a) CC,?GCC, GCC-COOH和GCC-PcNH₂的XPS全圖譜;

(b),(c) GCC-COOH 的C1s和O1s分譜圖;

(d),(e) GCC-PcNH₂?的C1s和O1s分譜圖。

(a) GCC-PcNH₂的EDX圖譜;

(b1) GCC-PcNH₂的SEM圖;

(b2-b4) 相應C,N和O元素的映射。

性能表征及分析

(a-c)?CC,GCC和GCC-PcNH₂的CV, GCD 和阻抗對比圖;

(d)?不同掃描速率下，GCC-PcNH₂的CV曲線;

(e)?不同電流密度下，GCC-PcNH₂的GCD曲線;

(f) GCC-PcNH₂循環性能圖。

(a)?不同掃描速率下，GCC-PcNH₂彎曲180度前后的CV曲線對比圖;

(b)?不同電流密度下，GCC-PcNH₂彎曲180度前后的GCD曲線對比圖;

(c) 在不同電流密度下，彎曲后電極的保留率;

(d), (f) 彎曲180度后，GCC-PcNH₂循環性能圖。

(a),(b) 柔性電容器(SC)的CV, GCD曲線圖;

(c) 彎曲不同角度時，SC的GCD曲線圖;(d)SC彎曲180度1000次后的GCD曲線對比圖;

(e) 三個SC串聯的GCD曲線圖;

(f) SC循環性能圖。

【小結】

本文首先通過等離子體技術處理碳布，再經酸化、酰胺化反應，將單氨基酞菁接枝到碳布上，制備了基于共價鍵連接的自支撐柔性電極材料，在電流密度為1mA cm^-2的條件下，其比電容達到2.425 F cm^-2。碳布經過等離子體處理后，表面形成類石墨烯結構，從而有效地提高了比電容；同時，酞菁共軛結構的引入，進一步提高了比電容。電極材料經過10000次充放電，電容仍保持在90%左右。由于構成電極材料的諸元通過共價鍵連接，彎曲180度后，再重復循環充放電實驗，其比電容與未彎曲前一致。本研究結果為高穩定性柔性電極材料的設計制備提供了新思路。

本文由石河子大學劉志勇教授課題組供稿。