柔性超級電容器在可穿戴技術(shù)中的機遇和挑戰(zhàn)

研究背景

超級電容器又稱電化學(xué)電容器，是一類前景廣闊的大功率電化學(xué)儲能裝置，其能量密度（ED）介于二次電池和傳統(tǒng)電容器之間。雙電層電容器通過電極材料和電解質(zhì)界面上離子的快速吸附/解吸實現(xiàn)電能的存儲和釋放。然而，傳統(tǒng)的超級電容器因其基于粉末材料的剛性電極而遭遇應(yīng)用瓶頸。最近，柔性超級電容器（FSCs）因其物理、化學(xué)和機械特性而引起了人們的極大興趣。與傳統(tǒng)超級電容器相比，柔性超級電容器最大的優(yōu)點是柔韌性好、重量輕、抗壓性強，根據(jù)電極結(jié)構(gòu)的不同可分為纖維狀柔性超級電容器和平面狀柔性超級電容器。目前，柔性超級電容器面臨的挑戰(zhàn)主要是如何引入具有偽電容的柔性基板，這導(dǎo)致柔性超級電容器的體積和質(zhì)量不斷增加，這些問題使其不適合便攜式和可穿戴設(shè)備的應(yīng)用。由于其值取決于所有組成材料，因此 FSC 存在比電容和 ED 偏低的問題。因此，如何在柔性和比電容之間取得平衡具有重要意義，需要進一步加以解決。

與傳統(tǒng)超級電容器相比，F(xiàn)SCs 不僅需要滿足基本的電化學(xué)性能要求，如寬電位窗口、高 ED高 PD、快速充放電速率和長循環(huán)穩(wěn)定性，還必須具有良好的機械變形能力。因此，對 FSC的電極、電解質(zhì)和封裝技術(shù)提出了更嚴(yán)格的要求。在過去幾年中，研究人員開發(fā)了多種類型的 FSCs，并取得了持續(xù)進展。圖 2顯示了 FSCS 的發(fā)展和進步歷程。FSC 通常由柔性電極材料、電解質(zhì)、隔膜和封裝材料組成。與傳統(tǒng)超級電容器的主要區(qū)別在于 FSC 中的柔性電極材料和外襯。柔性電極材料是最重要的組件之一，對 FSC 的性能有很大影響。典型的 FSC 電極材料有碳基材料、金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物和復(fù)合電極材料。一種是在柔性基底上涂覆或沉積活性材料，另一種是制備柔性獨立材料，如柔性薄膜和纖維。

研究成果

超級電容器是一種具有高功率密度（PD）的潛在電化學(xué)儲能設(shè)備，可用于驅(qū)動柔性智能電子設(shè)備。尤其是柔性超級電容器（FSC）具有可靠的機械和電化學(xué)特性，已成為可穿戴智能電子設(shè)備的重要組成部分。柔性電極、電解質(zhì)、隔膜和集流器在整個 FSC中都起著關(guān)鍵作用。在本綜述中，陜西師范大學(xué)Qi Li & Shengzhong （Frank） Liu教授，以及大連化物所Zhong-Shuai Wu，教授等人根據(jù) FSC的最新進展，對每個柔性組件的獨特機械性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造方法進行系統(tǒng)分類、總結(jié)和討論。

此外，還闡述了柔性組件的實際應(yīng)用，并提出了柔性組件在可穿戴技術(shù)中的機遇和挑戰(zhàn)。高性能 FSC 的發(fā)展將極大地推動蓄電技術(shù)走向更實用、更廣泛的領(lǐng)域。然而，隨著便攜式設(shè)備的發(fā)展，簡單的 FSC 無法滿足集成化和智能化柔性可穿戴設(shè)備的長時間需求。將 FSC與柔性電源 （如柔性太陽能電池）相結(jié)合有望成為解決這一問題的有效策略。本綜述還包括對柔性自供電設(shè)備的一些討論。相關(guān)研究以“Recent Advances in Flexible Wearable Supercapacitors： Properties， Fabrication， and Applications”為題發(fā)表在Advanced Science期刊上。

圖文導(dǎo)讀

Figure 1. Schematic diagram of the preparation of fibrous and planar FSCs.

Figure 2. A brief timeline showing the history of the development of various planar FSCs.

Figure 3. Schematic diagram of a CNT-MnO2 thin-film， reconfigurable supercapacitor and coaxial yarn asymmetric supercapacitor.

Figure 4. Diagram of the manufacturing process of bio-inspired nanocomposite films （HPA-RGO）。

Figure 5. Structural design and sensing mechanism of the washable electronic textile.

Figure 6. a） Schematic diagram of a wire-shaped supercapacitor fabricated from two twined d-MnO2（4.0）/HRGO fibers with polyelectrolyte. b） Schematic illustration of the fabrication process and structure of PPy@TOBC/RGO macro-fibers. CNT strain sensor for human motion detection monitoring in daily activities by fabric pressure sensors. b） Optical image of a wearable ultrathin e-skin sensor array on the wrist and under various mechanical deformations. c） A multifunctional electronic skin device containing a pressure sensor attached to a wrist and neck. d） Optical photo of a flexible perovskite solar cell. e） Digital optical image of a device assembled with a flexible solar cell and a supercapacitor shows successful energy storage. f） Digital photograph of a wearable MSC array-gas sensor and PCB on a wrist. g） Real-time C2H5OH concentration analysis/display in the case of unknown gas concentration.

總結(jié)與展望

隨著柔性可穿戴電子設(shè)備的深入研究和快速發(fā)展，F(xiàn)SC 越來越受到人們的關(guān)注?？紤]到柔性可穿戴電子設(shè)備電極材料和基底的選擇，本綜述總結(jié)了幾種典型的柔性可穿戴電子設(shè)備電極材料的制備方法和結(jié)構(gòu)特性以及應(yīng)用進展，得出以下結(jié)論：

1）碳基材料具有高柔韌性，是較好的電極候選材料，這也是 FSC 電極材料的關(guān)鍵研究課題。雖然碳基材料具有更好的導(dǎo)電性和速率性能，但碳基材料較低的理論比電容限制了其發(fā)展。因此，對碳基材料進行改性和復(fù)合應(yīng)是未來研究的重點。

2） 柔性電子產(chǎn)品的微型化將是未來的主要研究方向，這涉及在不損失 ED的情況下將電極做得更小，而設(shè)計納米級電極材料以提供更多的電化學(xué)活性位點是柔性電極的重要方向。

3） 隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，一維纖維和二維平面間MSCs將是未來發(fā)展的主要方向。在設(shè)備進一步微型化的同時，開發(fā)與電極材料完美匹配的凝膠電解質(zhì)尤為重要。

4）改進器件的封裝工藝也是柔性可穿戴超級電容器未來研究的重要方向。

目前，柔性可穿戴超級電容器還存在一些尚未解決的問題。即使研究人員面臨挑戰(zhàn)，這些問題也是機遇：1）一維超級電容器由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，通常使用聚合物凝膠電解質(zhì)。它們的低離子電導(dǎo)率和狹窄的電位窗口限制了相應(yīng)超級電容器的能量存儲和 ED，因此改進現(xiàn)有電解質(zhì)和開發(fā)新的凝膠電解質(zhì)尤為重要。2）在大多數(shù)一維超級電容器的研究中，器件的長度非常有限。隨著器件長度的增加，等效串聯(lián)電阻也會相應(yīng)增加，這將大大降低其電化學(xué)性能，導(dǎo)致器件失去儲能性能。然而，器件的長度在實際應(yīng)用和紡織工藝中非常重要，因此必須探索新的制備方法來延長纖維電極的長度。3）對于柔性可穿戴超級電容器而言，機械性能、柔性和電化學(xué)性能的匹配至關(guān)重要。機械性能會影響設(shè)備的耐用性。柔韌性也決定了使用時的舒適度。只有這三種性能完美匹配，柔性可穿戴超級電容器才會更具實用性和深遠的潛力。

4）柔性可穿戴超級電容器的安全性一直是研究人員廣泛關(guān)注的問題，因為超級電容器常用的電解液往往具有一定的毒性和腐蝕性。此外，一些納米電極材料也會對人體產(chǎn)生有害影響。超級電容器應(yīng)避免對人體產(chǎn)生負面影響。

5）可清潔、柔性、可穿戴的超級電容器還沒有突破性進展，因為常用的電解質(zhì)都溶于水，所以可清潔的器件還沒有出現(xiàn)。

因此，如何研究新型電容器封裝技術(shù)，使制成的可穿戴設(shè)備既能像普通衣物一樣洗滌，又能保持正常的電化學(xué)性能，是研究人員面臨的重要挑戰(zhàn)。

雖然柔性可穿戴超級電容器領(lǐng)域存在上述難題，但近年來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員也開發(fā)出了可水洗的儲能織物，不僅柔軟透氣，還能經(jīng)受反復(fù)機洗。在兼顧性能的同時，研究方向也更傾向于安全、無害、無污染。此外，也有關(guān)于連續(xù)制備不同長度儲能纖維的報道，他們發(fā)現(xiàn)儲能纖維的內(nèi)阻會隨著長度的增加而減小，最終趨于平穩(wěn)。這種連續(xù)制備方法可以有效降低一維超級電容器的等效串聯(lián)電阻。

總而言之，雖然超級電容器目前面臨著諸多挑戰(zhàn)，但我們相信超級電容器的前景光明，未來將無處不在，尤其是在便攜式設(shè)備和可穿戴設(shè)備中。為了實現(xiàn)最終的實際應(yīng)用，研究人員需要進行更深入的研究，篩選出儲能性能好、安全、成本低的儲能材料。也許有一天，手機、平板電腦和筆記本電腦等電子通訊設(shè)備和辦公設(shè)備會像皮膚一樣貼在我們的身上，而不再需要背著沉重的背包。我們的眼鏡、手表和戒指將成為小型智能終端，為我們的生活帶來更多便利。因此，我們希望有更多的研究人員能夠投身于超級電容器領(lǐng)域的探索，從而改變我們未來的生活。

編輯：黃飛