西南交大楊維清教授等Small：導電聚合物墨水——助力可穿戴儲能器件的大規模制造

非金非土非木

2021年6月15日 13:10

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當今社會正在闊步邁入物聯網時代，而傳統的中央供能已經無法滿足分布式電子器件的能源需求，因此，開發新一代便攜式能源存儲裝置勢在必行。可印刷微型超級電容器（MSCs）能夠在受限的空間內提供適中的能量密度和較高的功率密度，可以用作下一代分布式電子器件的功率源。目前，石墨烯墨水和MXene墨水已經被廣泛應用于可印刷MSCs的研究。但石墨烯墨水的制備步驟冗繁，且石墨烯材料的雙電層儲能特性限制了能量密度的提升；MXene墨水則面臨空氣穩定性較差的窘境。因此，開發廉價且穩定的電極墨水仍然是橫亙在學者面前的難題。

近日，西南交通大學楊維清、張海濤教授課題組、美國加州大學洛杉磯分校陳俊教授課題組合作，開發了一種低成本，易制備，空氣穩定的導電聚合物墨水，并以此為基礎成功印刷了可穿戴微型超級電容器。研究結果表明，通過簡單的“組裝-分散”策略，可以制備出親水的聚苯胺/檸檬酸納米片，這種聚苯胺/檸檬酸納米片可以進一步分散在超純水中，從而得到空氣穩定的導電聚合物墨水。這種墨水具有較高的電導率（10^-2 S/cm）和比電容（386.9 F/g）。利用簡單的掩膜版輔助噴涂法，即可實現可穿戴MSCs的大規模、陣列化制備。利用此墨水打印出來的MSCs展現出極高的面電容（96.6 mF/cm²）和體積比電容（26.5 F/cm³）。這一工作可以為下一代可印刷儲能設備提供新的思路和可行的解決方案。

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圖1. “組裝-分散”策略制備導電聚合物墨水及可印刷微型超級電容器。

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圖2. 導電聚合物墨水的表征及印刷圖案的展示。

通過在聚苯胺的聚合過程中引入檸檬酸，可以調控聚苯胺的自組裝過程得聚苯胺納米片（單片厚度為17-19 nm）。另一方面，由于親水性羧酸基團的引入，聚苯胺的親水性得到進一步提高（接觸角從74度降低為44度）。得到的導電聚合物墨水具有良好的普適性，可以成功印刷在打印紙，硅片，Kapton薄膜，不銹鋼以及ITO等常見基底上。結合掩膜版輔助噴涂法，可以在柔性PET基底上印刷出大規模MSCs陣列。基于導電聚合物墨水的柔性MSCs展現出極高的面電容（96.6 mF/cm²）和體積比電容（26.5 F/cm³），最高能量密度和最高功率密度分別為2.4 mWh/cm³和756.7 mW/cm³。器件的循環穩定性良好，在10 mA/cm²的充放電電流下循環10000次后，容量保持率為77.1%。力學穩定性測試表明可印刷MSCs能夠在復雜的應力環境下穩定工作（器件在0-180度的彎曲范圍內能夠保持性能穩定，且連續彎曲2000周次后未出現容量衰減）。集成測試表明可印刷MSCs的性能均一，可集成性良好，能夠滿足不同場景下可穿戴電子器件的能量需求。

西南交大楊維清教授等Small：導電聚合物墨水——助力可穿戴儲能器件的大規模制造的圖3

圖3. 基于導電聚合物墨水的微型超級電容器及其電化學性能。

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圖4. 微型超級電容器的可集成特性以及可穿戴應用展示。

西南交通大學材料學院博士生儲翔為論文的第一作者，西南交通大學材料學院楊維清教授、張海濤副教授，美國加州大學洛杉磯分校陳俊教授為本文的共同通訊作者。

論文信息：

Air-Stable Conductive Polymer Ink for Printed Wearable Micro-Supercapacitors

Xiang Chu, Guorui Chen, Xiao Xiao, Zixing Wang, Tao Yang, Zhong Xu, Haichao Huang, Yihan Wang, Cheng Yan, Ningjun Chen, Haitao Zhang*, Weiqing Yang*, Jun Chen*

https://doi.org/10.1002/smll.202100956

來源：MaterialsViews

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