纤维素基电驱动材料的研究进展

纤维素在自然界中来源广泛，是最丰富的天然聚合物之一，已成为一种极具吸引力的可用来制备柔性电驱动器的智能材料。纤维素的柔性轻质、低廉可再生使其可以作为电驱动材料的基材，但丰富的羟基也使其具有易受环境湿度影响等缺点，可与导电材料复合改善纤维素基电驱动材料的性能，例如更大的弯曲变形、优异的耐久性、在湿环境中稳定驱动等，还可以采用纳米纤维素作为基材来提高材料的机械强度。本文主要对基于纤维素的电驱动材料的研究进展进行分析，重点介绍了其在柔性压电传感器、柔性仿生驱动器以及微机电系统等方面的应用，并对其发展前景进行了展望。     

基于界面相互作用构建纳米纤维素-羧基化碳纳米管-石墨/聚吡咯柔性电极复合材料

以纳米纤维素(CNF)、羧基化碳纳米管(CNTs—COOH)、铅笔石墨(PGr)、聚吡咯(PPy)为原料,通过真空抽滤、涂覆、氧化聚合等方法,同时基于氢键界面相互作用的原理,制备出具有石墨层结构的CNF-CNTs—COOH-PGr/PPy柔性电极复合材料。结果表明,CNF-CNTs—COOH-PGr/PPy柔性电极复合材料在平直、折叠和拉伸时不会断裂,展现出较强的力学性能,其拉伸强度达到28.90 MPa。亲水性CNF与CNTs—COOH构筑的多孔结构增强了离子和电子的扩散路径。PGr的加入有效增加了CNF-CNTs—COOH-PGr/PPy柔性电极复合材料的导电路径,赋予其优良的导电性能。氧化聚合后得到的CNF-CNTs—COOH-PGr/PPy柔性电极复合材料的电导率达到5.403 S·cm?1。在1 mol·L?1 H₂SO₄溶液中,0.5 A·g?1电流密度下,CNF-CNTs—COOH-PGr/PPy柔性电极复合材料具有521 F·g?1的高比电容量,且经过1 500次充放电循环后,其电容保持率高达68%。基于柔性电极优良的力学性能、电化学性能和导电性能,CNF-CNTs—COOH-PGr/PPy柔性电极复合材料具备成为柔性储能器件电极材料的基本特性。      

柔性储能电池电极的设计、制备与应用EI北大核心CSCD

随着便携式、可穿戴电子器件的迅速发展,柔性储能器件的研究逐渐转向微型化、轻柔化和智能化等方向。同时人们对器件的能量密度、功率密度和力学性能有了更高的要求。电极材料作为柔性储能器件的核心部分,是决定器件性能的关键。柔性储能电子器件的发展,又迫切需要新型电池技术和快速、低成本且可精准控制其微结构的制备方法。因此,柔性锂/钠离子电池、柔性锂硫电池、柔性锌空电池等新型储能器件的研发成为目前学术界研究的热点。本文论述了近年来柔性储能电池电极的研究现状,着重对柔性电极材料的设计(独立柔性电极和柔性基底电极)、不同维度柔性电极材料的制备工艺(一维材料、二维材料和三维材料)和柔性储能电极的应用(柔性锂/钠离子电池、柔性锂硫电池、柔性锌空电池)进行对比分析,并对电极材料的结构特性和电化学性能进行了讨论。最后,指出了柔性储能器件目前所面临的问题,并针对此类问题展望了柔性储能器件未来的重点在于新型固态电解质的研发、器件结构的合理设计及封装技术的不断优化。     

rGO/NiCo复合材料制备及电化学性能研究

超级电容器因其能量密度大、功率密度高等优异性能而被认为是理想的储能器件，能在一定程度上有效解决能源问题。电极材料决定性影响着超级电容器的性能，而具有高理论比电容的过渡金属是人们的研究热点。镍钴双金属氧化物储能效力高，但是内阻大，导致倍率性能差。基于此，本工作利用简单的水热法成功合成rGO@Ni_xCo_y纳米复合材料，通过不断调控镍钴元素的相对比例来调整物质的形貌结构，找到其最佳比例。在所有纳米复合材料中，rGO/NiCo纳米复合材料在0.5 A/g下表现出600 F/g的优异比电容值，其组装的rGO/NiCo∥rGO柔性器件在1 A/g下的比电容为418.2 F/g，能量密度为98 Wh/kg，功率密度为1 300 W/kg，且在8 000次充放电循环后仍保持93%的比电容，同时固态柔性器件可以有效地在广泛的电压窗口中操作，优异的电化学性能预示了其在柔性超级电容器器件中的应用前景。     

超级电容器电极材料及器件的柔性化与微型化

随着可穿戴式电子设备的快速发展,各类柔性储能器件也相继出现。柔性超级电容器因其稳定性高、体积小、电化学性能优越等特点受到研究人员的广泛关注。开发一种工艺简单、电化学性能和柔性良好的电极材料对制备性能优越的柔性超级电容器具有重要意义。材料的选取、电极的制备及器件的微型化将是未来的主要研究方向。本文主要综述了柔性超级电容器电极材料的分类、具体的制备方法以及器件的主要构型,并探讨了柔性超级电容器电极材料及器件的主要发展方向和研究重点。     

纳米MoS2及MoS2-RGO纳米复合材料的制备与电化学性能研究

高性能电极材料的开发是推广新型储能器件的核心所在。二硫化钼(MoS_2)呈现类石墨烯结构,其二维层间具备良好的电荷储存能力。然而MoS_2本身导电性能较差,用于电极材料时需要与其它材料复合以提升导电性能。采用水热法,并分别选用抗坏血酸和硫脲作还原剂,制备得到两种不同形貌结构的纳米二硫化钼。以石墨烯为模板,采用水热法在石墨烯表面生长纳米结构MoS_2,制备得到二硫化钼-还原氧化石墨烯(MoS_2-RGO)纳米复合材料,通过循环伏安测试(CV)和恒电流充放电测试(CP)考察了复合材料的电化学性能。实验结果表明,MoS_2-RGO纳米复合材料呈现平面双电层电容性能,电流密度为1 A/g时,其比电容值达136.2 F/g。     

聚合物基柔性导电复合材料的制备和研究进展

柔性可穿戴电子器件的研制是未来科技发展的方向之一,柔性导电材料是可穿戴电子器件的重要支撑材料。由于聚合物具有优异的柔性,由聚合物基导电复合材料制备柔性导体是一种重要的途径和方式。文中从制备和表征方法方面归纳了聚合物基柔性导电复合材料的研究进展,重点阐述了实现柔性导体的关键因素,即聚合物优异高弹性的保持和可拉伸的稳定的导电网络的实现,详细介绍了简易地利用高弹性基体和纳米填料的直接共混法和目前应用较多的结构可拉伸导体的设计与制备,并总结了目前研究中存在的问题。     

柔性基金属氧化物超级电容器电极材料的研究进展

作为一种介于传统电容器和电池之间的新型电化学储能器件,超级电容器的整体性能主要受限于电极材料。研究发现,具有赝电容特性的过渡金属氧化物因其多重氧化态、多金属离子特性和高理论比容量,在电化学储能相关领域备受关注。首先简要阐述了柔性超级电容器的结构及储能机理。然后,概述了以不同元数的过渡金属氧化物为主体构筑的"二元"和"三元"柔性复合电极材料。接着,总结了由复合电极材料组装成的柔性超级电容器在可穿戴电子设备和多功能柔性器件——储能智能窗(ESS窗)方面的应用。最后,提出了过渡金属氧化物基柔性超级电容器在实际应用中所面临的挑战及今后的主要研究方向。     

碳纤维/棉纤维/聚吡咯柔性复合材料的制备及性能研究

柔性超级电容器作为一种储能器件,具有功率密度高、充电时间短、循环寿命长、比电容高等优点,可满足可穿戴器件的需求,而柔性电极材料是决定柔性超级电容器发展的关键因素,它决定着电容器的主要性能指标。采用混纺的方法制备了碳纤维含量为20%(质量分数)的碳纤维/棉纤维混纺纱线,然后通过电化学沉积法在碳纤维/棉纤维混纺纱线上生长聚吡咯颗粒,成功制备了20%(质量分数)碳纤维/棉纤维/聚吡咯柔性复合材料。利用扫描电子显微镜、拉曼光谱分析仪和电化学工作站研究了复合材料的形貌、聚吡咯沉积情况以及复合材料的电容性能。结果表明,20%(质量分数)碳纤维/棉纤维/聚吡咯柔性复合材料中,聚吡咯颗粒直径为30~60 nm,且沉积均匀,化学活性较高;在1.02 mA/cm^2电流密度下,复合材料的最大比电容达到1.28 F/cm^2,其高比电容归因于电极的独特结构;复合材料具有良好的柔韧性、机械稳定性和充放电循环寿命,其经过6000次弯曲循环后,电容保持率仍有80%以上,可以用作柔性可穿戴超级电容器的电极材料。     

柔性储能器件的电极设计研究进展

随着制造技术的飞速发展,便携式电子设备正朝着柔性化、轻质化、微型化及智能化方向发展,能够弯曲、折叠、扭曲、拉伸等协调变形的柔性电子设备应运而生。作为柔性电子设备的关键部件,储能器件的设计成为柔性电子实际应用必须攻克的难题。传统储能器件是刚性的,难以与柔性电子设备相适配,在变形时易造成电极材料与集流体分离,严重影响了电化学性能,甚至造成短路,产生重大的安全隐患。基于此,开发新型柔性储能器件,如柔性锂离子电池、柔性锂硫电池、柔性锂金属电池、柔性超级电容器等,已成为当今学术界和产业界研究的热点。近年来,基于本征柔性材料组装以及刚性材料柔性化设计两种方式获得的柔性储能器件取得了很大进展。金属纤维(如铝、铜)、聚合物纤维(如聚吡咯、聚苯胺)和碳基材料(如碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯及其复合材料)等因具有本征柔性的特征,在柔性储能器件中扮演着重要角色。其他诸如钴酸锂、钛酸锂等无机刚性材料的脆性较大,需通过合理的结构设计实现柔性。此外,柔性储能系统还需具备高容量、高效率、轻薄、安全等综合性能来满足实际的应用需求。本综述围绕本征和非本征柔性储能器件,探讨材料微观结构与器件宏观性能的构效关系,重点阐述各类柔性电极材料的制备方法、力学性能和电化学性能,并对未来柔性储能器件发展、电极材料设计面临的挑战提出了一些见解。     

纤维素导电基底及其柔性电子器件的研究进展

纤维素是自然界中含量丰富且可再生、可降解的天然材料。本文综述了物理、化学、生物或相结合的技术对纤维素的影响作用及可制备的纤维素基元材料,例如纤维素纤维、纳米纤维素和纤维素分子。基于纤维素纤维,利用湿法造纸技术可以生产具有高孔隙率的纤维素纸张基底;基于纳米纤维素,利用真空抽滤或涂布等方式可制备具有低表面粗糙度及高透明度的纳米纤维素膜基底;基于纤维素分子,利用涂布或铸涂等方式可生产具有均一的表面形态及高透明度的再生纤维素膜基底。本文进一步分析了常用的导电材料(金属导电材料、聚合物导电材料及碳基导电材料等)及其与纤维素基底结合的方法(涂布、沉积、原位聚合、自组装等),进而可以制备柔韧轻质的纤维素导电基底。基于高性能的纤维素导电基底可以组装柔性电子器件,在光电转化、能量储存及电磁屏蔽等领域展现了广阔的应用前景。总之,利用天然纤维素制备柔性电子器件对于扩大纤维素的应用范围、提升纤维素的利用价值及推动柔性电子器件的进一步发展具有重要意义。      

石墨烯基聚合物复合电解质的设计、性能及其应用研究进展

固态电化学器件具有柔性好、安全性能高及能量密度高等优点,属于极有前景的新一代化学能源器件。固态电解质是实现电化学器件固态化的关键,其中石墨烯基聚合物复合电解质由传统聚合物电解质发展而来,是一类含有石墨烯纳米填料和聚合物基体的新型固态电解质,具有较高的离子电导率、良好的加工性能及优异的界面特性,现已成为固态电化学器件研发中备受关注的电解质材料。本文着重讨论了近年来石墨烯基聚合物复合电解质的结构设计、性能机制及在各种电化学储能器件中应用的研究进展。      

高性能锂离子电池SiO/C/G复合负极材料研究

以一氧化硅、蔗糖及天然石墨为原料, 通过高能球磨和热解工艺制备了电化学性能优异的SiO/C/G复合负极材料。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的物相和形貌进行了表征。所制备的复合材料中, 纳米SiO颗粒(＜50 nm＝被无定形碳粘结并均匀分散在石墨鳞片上。电化学性能测试表明, 该复合材料100次循环后, 可逆容量高达1108.9 mAh/g, 容量保持率为103.8%。优异的电化学性能主要归因于纳米SiO颗粒在无定形碳基体中的均匀分布、无定形碳基体的缓冲作用和石墨相对复合材料导电性能的改善。     

共轭导电高分子/纳米纤维素复合材料研究进展

以纳米纤维素为基体材料、共轭导电高分子为功能材料,制备的共轭导电高分子/纳米纤维素复合材料兼具共轭导电高分子良好的导电性能以及纳米纤维素易改性、易成膜、可降解等优良特性,由此而拓宽了二者的开发与应用范围,并促进了导电高分子复合材料的发展。综述了几种典型的共轭导电高分子/纳米纤维素复合材料的研究进展,介绍了聚苯胺/纳米纤维素复合材料、聚吡咯/纳米纤维素复合材料和聚噻吩/纳米纤维素复合材料的制备及应用。     

碳纳米管纸上β-Co（OH）2纳米花的生长及其电化学电容行为

通过水热法制备了粘附于导电碳纳米管(CNT)纸表面生长的层级花状β-Co(OH)2,并将其作为电化学电容器高性能柔性复合电极材料。用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征了产物的微观结构和形貌。所得材料为三维疏松分层纳米花结构的β-Co(OH)2/CNT纸复合材料,其直径约为3μm。通过循环伏安法、恒电流充放电和交流阻抗等测试手段研究了该柔性材料的电容性能,结果表明:该复合材料在6 mol/LKOH电解液中,电流密度为2A/g时比容量达到2764 F/g;碳纳米管纸赋予了复合材料优良的导电性和柔韧性,同时β-Co(OH)2的层级花状结构利于活性物质与电解液之间的接触,因此,复合材料与纯的β-Co(OH)2相比,倍率容量和循环性能都得到明显改善。     

纳米纤维素/碳纳米管/纳米银线柔性电极的制备

目的以竹粉为原料制备纳米纤维素,并将其作为基底材料制备纳米纤维素/碳纳米管/纳米银线复合电极,应用于柔性超级电容器。方法采用化学机械处理法,将竹粉通过化学处理以及研磨、超声等处理,制备成纳米纤维素悬浮液;分别将多壁碳纳米管和纳米银线超声分散于溶剂中;最后,通过层层自组装制备纳米纤维素/碳纳米管/纳米银线复合电极,同时,作为对照组,制备纳米纤维素/碳纳米管复合电极。结果纳米纤维素纤丝的直径大约为30~100 nm,相互之间缠绕成网状结构,是很好的支撑材料,纳米纤维素/碳纳米管/纳米银线复合电极具有很好的成膜性和电化学性能,在扫描速率为30 m V/s时,面积比电容达到77.95 m F/cm~2。结论以纳米纤维素为基底,通过层层自组装方法制备的纳米纤维素/碳纳米管/纳米银线复合电极具有较好的电化学性能,可作为柔性超级电容器的电极。     

细菌纤维素/碳纳米管柔性纳米复合膜的制备及其导电性能研究

以细菌培养生成的细菌纤维素(BC)为基材,碳纳米管(CNTs)为导电填充物,通过简单的物理吸附法制备出了BC/CNTs纳米复合膜。利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外变换光谱仪(FT-IR)、热重分析仪(TG)和四探针测试仪(FPT)对其形貌、结构、热学以及导电性能进行了表征。结果表明:CNTs均匀负载在BC膜上,CNTs的掺入使BC膜的热学性能得到很大改善;同时制备出的柔性纳米复合膜在不同弯曲角度下均具有很好的导电性能,导电率为0.32±0.003S/cm,且性能稳定。这表明合成的纳米复合膜可作为柔性基材在生物传感器、超级电容器及其锂电材料等领域得到很好应用。     

柔性智能聚苯胺/聚氨酯导电纳米纤维的制备及性能

利用静电纺丝技术制备聚氨酯(PU)纳米纤维,采用原位聚合法在纤维表面聚合导电聚合物聚苯胺(PANI),得到具有优良导电性能的柔性PU/PANI复合纳米导电纤维。通过扫描电镜观察到表面均匀包覆聚苯胺的复合纳米纤维;红外光谱结果证明在聚氨酯纳米纤维表面成功合成了聚苯胺。通过实验可知,聚苯胺最佳聚合工艺为苯胺单体浓度为1.3 mol/L、聚合时间为120 min。导电性能测试发现,PU/PANI复合纳米纤维导电性能优良,电导率可达7.6×10-1S/cm,经聚合后力学性能较为稳定。将PU/PANI导电纳米纤维制成简易柔性传感器件,探究发现PU/PANI导电纳米纤维具有柔性应变电学性质,且反应灵敏。     

纳米纤维素基材料在柔性电子器件中的应用

目的 由于纳米纤维素基材料良好的柔韧性、热力学性能和高透明度,近年来在柔性电子产品中引起越来越多的关注。通过综述该领域的研究进展,将有助于研究人员更高效地开展研究。方法 综述3类纳米纤维素的制备方法及将纳米纤维素基材料应用在柔性电子产品中的研究进展。分别阐述纳米纤维素基材料应用于器件柔性衬底及绝缘材料的研究实例,并讨论纳米纤维素在各种应用方向中的优势以及存在的问题,最后对材料的未来应用前景进行展望。结论 纳米纤维素是天然纤维素与纳米技术结合的产物,可主要划分为纤维素纳米纤丝、纤维素纳米晶以及细菌纤维素3类。近年来,纳米纤维素基材料作为电子器件柔性衬底、绝缘材料等研究均有许多成果问世。虽然纳米纤维素基电子器件的开发还主要停留在实验室阶段,但是与传统的石油化工产品相比,纳米纤维素具有原材料丰富、环保可降解等优点。对纳米纤维素基新型材料的开发利用,有助于解决人类社会中日益严重的电子垃圾问题。     

基于改性纳米纤维素的电化学储能材料的研究进展

纤维素是一种来源广泛、绿色友好的天然高分子材料。由各种物理化学手段从纤维素中提取出来的纳米纤维素(NC)拥有提取简单、高结晶度和高比表面积等优点，将其用于与其他材料复合时往往能激发出复合材料更大的潜力。基于纳米纤维素表面暴露出的大量羟基结构可以对其进行功能化改性，这对于进一步发挥纳米纤维素的潜力具有重大的意义。简要介绍了纳米纤维素的改性方法以及在电化学储能领域中的应用和展望。