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智能变色柔性储能器件

注:文末有研究团队简介及本文科研思路分析


储能器件在人们的日常生活中发挥着重要作用,如应用在手机等便携式电子设备、电动汽车等清洁交通工具中。但传统的锂电池充电往往需要数小时才能完成,逐渐不能满足快节奏的现代社会生活的需求。超级电容器作为一类新型的储能装置可实现快速充放电,具有更高的功率密度。柔性的超级电容器对于未来可穿戴电子器件的发展具有重要意义。近日,北京大学新材料学院的孟鸿点击查看介绍团队开发出了一种新型可溶性导电聚合物材料,并制备了可变色的柔性超级电容器器件。


目前超级电容器研究领域的一个关键问题是其能量密度相对电池还较低,在一定程度上限制了在实际中的应用。设计和合成新型的电极材料,如导电高分子类赝电容材料是提高超级电容器的能量密度等的一个重要途径。开发可溶性的聚合物材料对于实现印刷法加工和大规模生产具有重要的实际意义。


北京大学深圳研究生院新材料学院孟鸿教授课题组最近设计合成了基于并噻吩的给体-受体型导电聚合物PBOTT-BTD,并将其应用于喷涂法制备的非对称型超级电容器中。该聚合物材料具有较高的比容量、良好的倍率性能和稳定性,与聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)配合分别用作超级电容器的正极和负极,使器件取得了优异的能量密度和功率密度。该导电聚合物材料还具有特殊的储能和电致变色双重功能,使得超级电容器的储能状态实现可视化,充满电状态电极呈蓝色,而完全放电状态呈绿色,这一“smart”材料为未来智能柔性储能器件的发展提供了新的可能性。

图1 (a)喷涂法制备的柔性电极;(b)电极材料的扫描电镜照片;(c)电极颜色变化指示充放电状态的改变;(d)该聚合物电极材料具有良好的循环稳定性。


对比所制备的非对称型和对称型超级电容器的性能,可以发现基于PBOTT-BTD和PEDOT的非对称型器件可提供更高的工作电压及能量密度,这主要得益于这两种材料在电位窗口上的互补与配合。PEDOT这一为人所熟知的导电高分子材料作为超级电容器正极材料的研究已屡见不鲜,而本研究另辟蹊径,将其作为负极材料也表现出优异的性能,这对于发展新型的非对称型聚合物超级电容器提供了很好的启发和借鉴意义。


图2  (a)两个非对称型超级电容器串联可点亮红色LED灯珠;(b)单个器件及两串联器件的CV曲线。


这一成果近期发表在Advanced Energy Materials上,文章的第一第二作者分别是北京大学2015级硕士研究生郭怡彤李微硕


该论文作者为:Yitong Guo, Weishuo Li, Hongtao Yu, Dmitrii F. Perepichka, Hong Meng

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Flexible Asymmetric Supercapacitors via Spray Coating of a New Electrochromic Donor–Acceptor Polymer

Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601623


孟鸿博士简介


孟鸿,北京大学深圳研究生院新材料学院教授,副院长。师从有机光电材料科学家美国艺术与科学院Fred Wudl院士、诺贝尔奖获得者Alan Heeger教授,2002年在美国加州大学洛杉矶分校获得博士学位,2001年曾在贝尔实验室工作,2002至2009年在杜邦公司从事有机光电材料相关的科学研究与技术开发。2014年5月至今就职于北京大学深圳研究生院新材料学院。


孟鸿教授长期从事有机光电材料及器件领域的研究,发表高水平论文60多篇,出版专业著作3本,申请专利70余项,曾多次出席国际会议并做邀请报告。中组部“千人计划”特聘专家,深圳市“孔雀计划”团队带头人。

http://www.x-mol.com/university/faculty/22372


科研思路分析


Q:这项研究的最初目的是什么?或者说想法是怎么产生的?

A:我们实验室在有机光电材料的合成和应用方面有一定的工作基础,如我们自主设计合成的并噻吩类绿色-土壤色电致变色材料,在军事伪装等领域具有很好的应用前景。给体-受体型导电聚合物在电致变色领域的应用已取得了很好的效果,我们在高分子中引入并噻吩作为新的给体单元并通过接入侧链改善溶解性,得到了可溶性的电致变色材料。我们创造性地将这一材料的应用延伸到储能领域,在超级电容器中的应用也取得了优异的性能,实现了可变色智能电极。

Q:在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里?

A:本项研究中的最大挑战是材料的合成,如化学聚合方法,对分子量的控制等。另外一个关键问题就是超级电容器负极材料的选择,我们不寻常地将PEDOT用作负极材料,制备了全有机的非对称型器件,提高了工作电压及能量密度。


Q:本项研究成果最有可能的重要应用有哪些?哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助?

A:有机材料以其自身的柔性在柔性电子器件中具有良好的应用前景。我们的可溶性导电聚合物材料可通过印刷法实现大规模产业化器件制备,同时由于其独特的电致变色-储能双重功能实现了可视化的智能储能器件,在未来柔性可穿戴电子器件中具有很好的应用前景。希望我们的研究成果能为有机光电材料及清洁能源相关领域的研究工作者们提供借鉴和启发,也为新材料领域的企业提供最新的领先技术成果。


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