中科院纳米所在碳纳米高能柔性电容器研究方面取得进展

随着现代科学技术的发展，柔性、可穿戴、可折叠、智能化是电子设备发展的主流方向，为电子产品提供能量的储能器件也逐步向轻、薄、韧等方向发展。柔性超级电容器是一种储能器件，具有高容量、充放电速度快、安全环保等特点，在新兴的电子智能设备等高新技术上有着广阔的应用前景。碳纤维和碳纳米管纱布等碳纺织品作为柔性电极活性材料已经被广泛研究并且表现出优异的电化学性能，然而由于大部分产品是水系电解液，其放电电压低于2V，极大降低了这些柔性超级电容器的能量输出，限制了其发展和实际运用。

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所国际实验室张跃钢团队近期结合静电纺丝技术和高温热解技术，制备在一维碳纤维上生长垂直碳管的三维多级结构，并对其电化学性能进行研究。在碳纤维上生长垂直碳纳米管阵列，提高了碳纤维的比表面积、导电性、多孔性以及电解液的浸润性，同时利用离子液3体电解液代替传统的水系电解液将其输出电压扩展到4V，有效提高了柔性电容器的能量输出。以离子液体为电解液所组成的柔性电容器在30°C，电流密度为0.5A/g的条件下，其比容量达到70.7 Wh/kg, 在60°C，电流密度为1A/g的条件下，其比容量达到98.8 Wh/kg。用该材料组装的柔性电容器也表现出超高的循环稳定性，在充放电循环20000次后，其容量保持率为97%。该三维柔性碳电极材料的优异性能得益于，利用垂直碳管类储存和积累电荷，而碳纤维导电基底运输电荷形成一个三维导电网络，极大地促进电子和离子的移动速度，减少材料本身电阻。相关成果已作为封面文章发表在Chemistry of Materials（DOI: 10.1021/cm 503784x）杂志上。

图示：在碳纤维上生长垂直碳管的结构示意图及其实际运用图 

该材料的合成方法采用柔性的碳纤维代替以往坚硬的硅或者金属基底来生长碳纳米管阵列，同时采用PVP固体分解提供碳源的方法避免可燃性气体的使用，合成了仙人掌状的三维柔性碳电极材料，既降低了成本也提高了制备的安全性，有望大规模合成，并运用于新兴的柔性电子储能设备。

以上工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金的大力支持。