柔性超級(jí)電容器在可穿戴技術(shù)中的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

研究背景

超級(jí)電容器又稱(chēng)電化學(xué)電容器，是一類(lèi)前景廣闊的大功率電化學(xué)儲(chǔ)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(guò)電極材料和電解質(zhì)界面上離子的快速吸附/解吸實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。然而，傳統(tǒng)的超級(jí)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(jí)電容器（FSCs）因其物理、化學(xué)和機(jī)械特性而引起了人們的極大興趣。與傳統(tǒng)超級(jí)電容器相比，柔性超級(jí)電容器最大的優(yōu)點(diǎn)是柔韌性好、重量輕、抗壓性強(qiáng)，根據(jù)電極結(jié)構(gòu)的不同可分為纖維狀柔性超級(jí)電容器和平面狀柔性超級(jí)電容器。目前，柔性超級(jí)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(jí)電容器的體積和質(zhì)量不斷增加，這些問(wèn)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(wèn)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(jìn)一步加以解決。

與傳統(tǒng)超級(jí)電容器相比，F(xiàn)SCs 不僅需要滿(mǎn)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(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性，還必須具有良好的機(jī)械變形能力。因此，對(duì) 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(guò)去幾年中，研究人員開(kāi)發(fā)了多種類(lèi)型的 FSCs，并取得了持續(xù)進(jìn)展。圖 2顯示了 FSCS 的發(fā)展和進(jìn)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(jí)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(duì) 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(dú)立材料，如柔性薄膜和纖維。

研究成果

超級(jí)電容器是一種具有高功率密度（PD）的潛在電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備，可用于驅(qū)動(dòng)柔性智能電子設(shè)備。尤其是柔性超級(jí)電容器（FSC）具有可靠的機(jī)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(gè) 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(jìn)展，對(duì)每個(gè)柔性組件的獨(dú)特機(jī)械性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造方法進(jìn)行系統(tǒng)分類(lèi)、總結(jié)和討論。

此外，還闡述了柔性組件的實(shí)際應(yīng)用，并提出了柔性組件在可穿戴技術(shù)中的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。高性能 FSC 的發(fā)展將極大地推動(dòng)蓄電技術(shù)走向更實(shí)用、更廣泛的領(lǐng)域。然而，隨著便攜式設(shè)備的發(fā)展，簡(jiǎn)單的 FSC 無(wú)法滿(mǎn)足集成化和智能化柔性可穿戴設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間需求。將 FSC與柔性電源 （如柔性太陽(yáng)能電池）相結(jié)合有望成為解決這一問(wèn)題的有效策略。本綜述還包括對(duì)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(lái)越受到人們的關(guān)注。考慮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(jìn)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(duì)碳基材料進(jìn)行改性和復(fù)合應(yīng)是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

2） 柔性電子產(chǎn)品的微型化將是未來(lái)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(jì)納米級(jí)電極材料以提供更多的電化學(xué)活性位點(diǎn)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(lái)發(fā)展的主要方向。在設(shè)備進(jìn)一步微型化的同時(shí)，開(kāi)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(jìn)器件的封裝工藝也是柔性可穿戴超級(jí)電容器未來(lái)研究的重要方向。

目前，柔性可穿戴超級(jí)電容器還存在一些尚未解決的問(wèn)題。即使研究人員面臨挑戰(zhàn)，這些問(wèn)題也是機(jī)遇：1）一維超級(jí)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(jí)電容器的能量存儲(chǔ)和 ED，因此改進(jìn)現(xiàn)有電解質(zhì)和開(kāi)發(fā)新的凝膠電解質(zhì)尤為重要。2）在大多數(shù)一維超級(jí)電容器的研究中，器件的長(zhǎng)度非常有限。隨著器件長(zhǎng)度的增加，等效串聯(lián)電阻也會(huì)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(chǔ)能性能。然而，器件的長(zhǎng)度在實(shí)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(lái)延長(zhǎng)纖維電極的長(zhǎng)度。3）對(duì)于柔性可穿戴超級(jí)電容器而言，機(jī)械性能、柔性和電化學(xué)性能的匹配至關(guān)重要。機(jī)械性能會(huì)影響設(shè)備的耐用性。柔韌性也決定了使用時(shí)的舒適度。只有這三種性能完美匹配，柔性可穿戴超級(jí)電容器才會(huì)更具實(shí)用性和深遠(yuǎn)的潛力。

4）柔性可穿戴超級(jí)電容器的安全性一直是研究人員廣泛關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)槌?jí)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(huì)對(duì)人體產(chǎn)生有害影響。超級(jí)電容器應(yīng)避免對(duì)人體產(chǎn)生負(fù)面影響。

5）可清潔、柔性、可穿戴的超級(jí)電容器還沒(méi)有突破性進(jìn)展，因?yàn)槌Ｓ玫碾娊赓|(zhì)都溶于水，所以可清潔的器件還沒(méi)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(jí)電容器領(lǐng)域存在上述難題，但近年來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員也開(kāi)發(fā)出了可水洗的儲(chǔ)能織物，不僅柔軟透氣，還能經(jīng)受反復(fù)機(jī)洗。在兼顧性能的同時(shí)，研究方向也更傾向于安全、無(wú)害、無(wú)污染。此外，也有關(guān)于連續(xù)制備不同長(zhǎng)度儲(chǔ)能纖維的報(bào)道，他們發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能纖維的內(nèi)阻會(huì)隨著長(zhǎng)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(jí)電容器的等效串聯(lián)電阻。

總而言之，雖然超級(jí)電容器目前面臨著諸多挑戰(zhàn)，但我們相信超級(jí)電容器的前景光明，未來(lái)將無(wú)處不在，尤其是在便攜式設(shè)備和可穿戴設(shè)備中。為了實(shí)現(xiàn)最終的實(shí)際應(yīng)用，研究人員需要進(jìn)行更深入的研究，篩選出儲(chǔ)能性能好、安全、成本低的儲(chǔ)能材料。也許有一天，手機(jī)、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(huì)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(lái)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(jí)電容器領(lǐng)域的探索，從而改變我們未來(lái)的生活。

編輯：黃飛