柔软的能量存储设备，如超级电容器，是为集成的柔性微系统供电的基本组件。然而，传统的超级电容器主要是使用硬/脆性材料制造的，这些材料容易开裂。因此，要实现全柔性超级电容器，电极必须柔软、可拉伸、导电性好且不影响电化学性能。

基于以上现状，美国乔治亚理工学院Oliver Brand等在国际知名期刊ACS NANO上发表题为“All-Soft Supercapacitors Based on Liquid Metal Electrodes with Integrated Functionalized Carbon Nanotubes”的论文。Seung Woo Lee为本文的共同通讯作者，Min-gu Kim和Byeongyong Lee为本文共同第一作者。

图1. 图片概要

本文介绍了一种基于镓铟液态金属(共晶镓铟合金，EGaIn)电极与集成功能化碳纳米管(CNTs)的集成柔软微系统用全柔性超级电容器。碳纳米管表面的氧官能团保证了功能化的碳纳米管与EGaIn表面的薄的天然氧化层之间的强附着力，即使在机械变形的情况下也能实现无脱层的柔性、可拉伸的电极。

此外研究了在无外加机械变形和无外加机械变形的情况下，制备的全软超级电容器的电化学性能。所制超级电容器的表面电容高达12.4 mF cm-2，在30%的应变作用下，其性能几乎没有变化。经过4200次的充放电循环，它们仍保持95%的原始电容，周期性施加的应变为30%。最后，制作的超级电容器已成功地与商用发光二极管集成，以演示集成的柔性微系统。

1.柔性超级电容器在柔性储能方向的前景及挑战

柔性功能材料及其制造技术的进步使皮肤或身体集成的传感系统能够用于医疗保健和医疗应用。虽然柔性和可拉伸的传感器已经成功地进行了演示，但是它们与通常坚硬和沉重的固态储能元件的系统级集成是目前一个主要的困难。在这方面，开发柔性储能设备被认为是为柔性电子设备供电的核心技术。在可能的储能设备中，超级电容器因其快速的供电和较长的使用寿命而成为很有前途的移动储能设备。

然而，传统的超级电容器电极主要是由涂覆料浆材料制造的，这种材料含有活性材料，如过渡金属氧化物，以及导电材料，如碳纳米材料，通过聚合物粘合剂涂覆到金属集电体上。这些刚性集电器在机械和电气上的应变达不到1%的量级，而涂覆的活性/导电材料很容易破裂，最终会由于机械变形而从集电器上脱层，这使它们在皮肤或身体集成应用中面临挑战。皮肤或身体集成应用需要承受30%的应变，考虑到人类皮肤产生的应变范围。因此，开发出既能承受机械变形又不影响导电性的柔性可拉伸电极被认为是实现柔性储能设备的关键因素之一。

2. 柔软的液相导体是有希望的解决方案

为了获得柔软且可伸缩的电极和超级电容器，研究人员探索了以设计和材料为重点的方法。但在实现软的和可拉伸的能量存储设备的软的和可拉伸的电流收集器及其集成到软的微系统的技术挑战仍然存在。在这方面，使用材质上柔软的液相导体，如共晶镓铟合金(EGaIn)，为能量存储设备应用的全软和可变形电极提供了一个有希望的解决方案。

在这项工作中，作者提出了一种基于EGaIn电极和集成氧功能化碳纳米管的集成柔性微系统全柔性超级电容器。材质上上柔软和金属导电EGaIn用于创建可拉伸的电流收集器和电路，且不需要蛇形或几何形状。在碳纳米管(氧化碳纳米管，O碳纳米管)表面化学地加入氧官能团，使其能够与EGaIn表面的薄的天然氧化物层产生强烈的相互作用，使其成为全软超级电容器耐用、柔软和可伸缩电极的可行解决方案。

研究了无外加机械变形和有外加机械变形的全软超级电容器的电化学性能。此外，制作的超级电容器已经集成到一个带有商用发光二极管(LED)的电路中，以演示一个简单的集成软微系统。

图2. 基于O - CNT/EGaIn的柔性可拉伸电极制备，用于储能设备

(a) Schematic of an integrated soft microsystem, comprising soft electronic devices and a soft energy storage element in the form of an all-soft supercapacitor, composed of soft electrodes and a soft separator filled with liquid electrolyte. (b) Fabrication process of O−CNT-integrated EGaIn electrodes: (i−iv) additive stamping process based on soft lithography for large-area EGaIn patterning and (v) O−CNT integration via layer-by-layer adsorption process and selective patterning using a shadow mask

文章链接:

All-Soft Supercapacitors Based on Liquid Metal Electrodes with Integrated Functionalized Carbon Nanotubes

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c00129

老师简介:

Oliver Brand Professor

Executive Director, Institute for Electronics and Nanotechnology Bioengineering, Microelectronics/ Microsystems; Georgia Institute of Technology. Research: MEMS/NEMS; Microsensors for Physical, Chemical and Biological Applications; Microsensor Fabrication based on IC Technologies; Microsystem Packaging.