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  近年來，柔性可拉伸電子領(lǐng)域發(fā)展迅猛，可拉伸顯示器、人造電子皮膚、可穿戴傳感器和可植入設(shè)備等新型電子器件不斷出現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)一體化的可拉伸電子系統(tǒng)，這些新型可拉伸電子器件需要與之相匹配的可拉伸電池和超級(jí)電容器等作為供能裝置。超級(jí)電容器具有高功率密度、循環(huán)效率和能量密度，可進(jìn)行多達(dá)上百萬次充放電循環(huán)，在可穿戴和可植入供能設(shè)備領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛力。

  近日，美國密歇根州立大學(xué)曹長勇教授團(tuán)隊(duì)和杜克大學(xué)Jeff Glass教授團(tuán)隊(duì)合作，在基于直立碳納米管陣列的可拉伸超級(jí)電容器領(lǐng)域取得新進(jìn)展。該研究中，科研人員成功利用褶皺的Au-CNT直立陣列（Au-CNT-forest）制作了耐用的高性能可拉伸電極，并以此為基礎(chǔ)制備了對(duì)稱雙電極超級(jí)電容，在上千次拉伸實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出非常好的機(jī)械性能和優(yōu)異的電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)測試表明，可拉伸Au-CNT-forest電極的電阻比單純的CNT-forest電極的電阻低了約一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了比較厚的CNT網(wǎng)絡(luò)薄膜電極的電阻水平。在不同應(yīng)變條件下（面積應(yīng)變?yōu)?％至800％），在較大的充電/放電速率（80 mA/cm²）下，雙向可拉伸Au-CNT-forest電極表現(xiàn)出近乎不變的電化學(xué)性能，這是先前制備的純碳納米管電極無法實(shí)現(xiàn)的（Advanced Energy Materials, 2019）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在很大的應(yīng)變載荷下，褶皺Au-CNT-forest超級(jí)電容器具有卓越的機(jī)械穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性,在40 mA/cm²的電流密度下其比電容可達(dá)6 mF/cm^-2。本項(xiàng)研究提供了一種簡易的利用直立納米管或其他材料納米線陣列制備可拉伸超級(jí)電容器或可拉伸電池的新方法。

圖1：基于褶皺Au-CNT-forest的可拉伸電極的制備和表征。

圖2：單向可拉伸Au-CNT-Forest 電極的電化學(xué)性能。

圖3：雙向可拉伸Au-CNT-Forest 電極的電化學(xué)性能。

圖4：單向可拉伸CNT-forest電極與Au-CNT-Forest 電極的在不同應(yīng)變下的電化學(xué)阻抗譜的變化和對(duì)比。

圖5：可拉伸Au-CNT-Forest 電極的機(jī)械穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性測試結(jié)果。

圖6：不同測試條件下Au-CNT forest 超級(jí)電容器的電化學(xué)性能比較。

  以上成果發(fā)表在Cell出版社的旗艦期刊Matter上在線發(fā)表。論文共同第一作者為周逸豪博士，論文共同通訊作者為密歇根州立大學(xué)曹長勇教授和杜克大學(xué)Jeff Glass教授。

  論文鏈接:“Robust and High-Performance Electrodes via Crumpled Au-CNT Forests for Stretchable Supercapacitors,” Yihao Zhou, Changyong Cao*, Yunteng Cao, Qiwei Han, Charles B. Parker, Jeffrey T. Glass*. Matter, 2, 1–17，2020. DOI: 10.1016/j.matt.2020.02.024https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.02.024

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