拉伸|800%可拉伸性，南京大学团队发明柔性超级电容器

文 | 学术头条，作者 |库珀，编辑 | 寇建超
柔性电子有着广泛的应用场景，比如一些可穿戴显示器、生物医学应用和软体机器人等，如果可以弯曲、扭曲和拉伸，就能带来特殊的功能用途或产品体验。但有一个问题是，虽然这些设备的电路变得越来越柔韧，但为其供电的电池和超级电容器仍然是刚性的。
有没有可能把电池和超级电容器也变成有柔性、可拉伸的？
日前，美国化学学会（ACS ）的《纳米通讯》期刊报道了一种由南京大学团队研发的柔性超级电容器，其电极由起皱的碳化钛（一种 MXene 纳米材料）制成，能在反复拉伸后保持其储存和释放电子电荷的能力。在实验中，该装置具有与其他基于 MXene 开发的超级电容器相当的高能量容量，但同时具备高达 800% 的可拉伸性，因而不会导致纳米片开裂，即便在拉伸 1000 次或弯曲或扭曲后，它仍保持了大约 90% 的储能能力。

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图 | 一种柔性超级电容器，在反复拉伸后保持其储存和释放电子电荷的能力（来源：Nano Letters）
论文的通讯作者孔德圣教授目前就职于南京大学现代工程与应用科学学院，他的实验室目前立足于发展具有优异性能和实用价值的复合电子材料以及相应的器件加工技术，辅以模拟计算等理论分析，在应用上，则专注于柔性、弹性电子器件的设计与制备，以及开发可穿戴电子设备。

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图｜孔德圣，南京大学现代工程与应用科学学院教授（来源：南京大学）
让电池更“柔”的新路径不断提高处理速度和能源效率，一直是电子技术发展的主要动力。
随着人们对电子功能与人体的无缝集成越来越感兴趣，可伸缩电子学的出现代表了一种范式转变，兼容的电子材料和制造技术能用于创建可弯曲、扭曲、拉伸和与移动对象连接的功能设备，包括表皮传感器、可穿戴显示器和智能人机界面等。
在这样的趋势下，兼容的储能设备，是为电子设备提供完整系统动力的不可或缺的组件，可拉伸超级电容器在快速充电/放电过程、优异的循环稳定性和方便的制造工艺方面尤其具有吸引力，已经成为软储能器件的主流研究方向。
在业界，一类二维过渡金属碳化物和氮化物 MXene 被公认为电化学储能装置的潜在电极材料，MXene 在金属导电性、溶液可加工性和高体积电容方面表现出一系列令人满意的性能。
脱层 MXene 纳米片通常可制备成柔性薄膜，作为超级电容器的功能电极，但 MXene 薄膜相当坚硬，在拉伸变形时容易断裂，无法直接用于可拉伸装置。
MXene 基复合材料的固有可变形性是通过加入聚合物和其他纳米材料来实现的，以抑制相邻纳米片之间的裂纹扩展和滑移，但通常会降低材料的电存储容量。
另一种方法则是基于 MXene 电极的皱折结构，以适应拉伸变形，拉伸变形是通过将 MXene 基薄膜转移印刷到预拉伸弹性体上而产生，皱褶纹理的扩展有效地降低了实际应变，从而提高电化学稳定性。

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图｜可拉伸 MXene 电极的制备和表征（来源：Nano Letters）
研究人员将两个思路优势结合，开发了一种基于碳化钛 MXene 电极的可伸缩超级电容器策略，在中等厚度～3μm 时，MXene 电极表现出良好的机电性能，承受高达 800% 的面积应变拉伸性，同时也显示出高比表面积电容以及优异的电化学性能循环稳定性。
制备工艺与材料性能关于制备工艺，并没有特别复杂。研究人员通过真空辅助过滤碳化钛 MXene 在去离子水中的胶体分散液，生成 MXene 膜，然后手动层压到 1mm 厚丙烯酸弹性体的双轴预应变基底上。