超級(jí)電容器作為一種新型儲(chǔ)能器件，具有高功率密度、快速充放電、長循環(huán)壽命和更好的安全性能等優(yōu)點(diǎn)，在消費(fèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車啟停和工業(yè)能源管理系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來，微型、柔性和智能電子產(chǎn)品設(shè)備蓬勃發(fā)展，這就需要構(gòu)筑與之匹配的新型超級(jí)電容器(包括微型、柔性電容器和智能電容器等)來滿足其儲(chǔ)能需求。

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實(shí)驗(yàn)室閻興斌課題組多年來致力于超級(jí)電容器材料與器件的研究。最近，他們構(gòu)筑了一系列高性能新型超級(jí)電容器，包括非對(duì)稱微型電容器和高溫柔性電容器，并探索了金屬氧化物電極在特定離子液體中的電荷存儲(chǔ)機(jī)理;利用形狀記憶合金作為集流體，構(gòu)筑了表帶狀智能超級(jí)電容器。

該課題組通過電化學(xué)沉積方法在叉指金電極上制備了以石墨烯量子點(diǎn)為負(fù)極、MnO2為正極的非對(duì)稱全固態(tài)微型超級(jí)電容器，對(duì)比研究了器件在幾種常用離子液體凝膠電解質(zhì)中的電化學(xué)性能，并通過優(yōu)化固態(tài)電解質(zhì)組份實(shí)現(xiàn)了器件高的掃速(2000V/s)和小的弛豫時(shí)間常數(shù)(τ0=206.9ms)。相關(guān)工作發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (2015, 7, 25378−25389)上。

研究人員以導(dǎo)電炭布作為集流體，利用γ-FeOOH在特定離子液體中具有優(yōu)異的贗電容行為和離子液體凝膠電解質(zhì)本身熱穩(wěn)定性好、不可燃、化學(xué)惰性和寬電壓窗口等特點(diǎn)，構(gòu)筑了多孔炭//γ-FeOOH非對(duì)稱全固態(tài)柔性超級(jí)電容器。高溫電化學(xué)測試結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)境溫度升高到200ºC時(shí)，柔性器件體積能量密度可達(dá)1.44mWh/cm3;在180ºC彎折測試表明該器件具有穩(wěn)定的電化學(xué)儲(chǔ)能特性，相關(guān)工作發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A (2016, 4, 8316–8327)上。

智能手表和手環(huán)等因?yàn)閷⒅T多不同的功能集成在一種產(chǎn)品上，受到了消費(fèi)者的廣泛關(guān)注。然而，當(dāng)下儲(chǔ)能器件的設(shè)計(jì)嚴(yán)重限制了能量供給能力和未來發(fā)展空間。通過提出一種將表帶與儲(chǔ)能器件集成到一體的策略，該課題組設(shè)計(jì)并制備了表帶型的智能柔性超級(jí)電容器。利用石墨烯涂布的鈦鎳合金片作為負(fù)極，兩步電化學(xué)沉積制備的柔性自支撐MnO2/Ni薄片作為正極，分別使用水系和離子液體凝膠電解質(zhì)作為電解質(zhì)隔膜，組裝得到了固態(tài)柔性超級(jí)電容器。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的彎曲測試都證明了該器件有著優(yōu)異的機(jī)械和電化學(xué)穩(wěn)定性。由于使用鈦鎳合金作為集流體，器件還展示了形狀記憶能力。為了展示潛在應(yīng)用性，研究人員還將制備的表帶狀的超電器件與電子表組合在一起。有趣的是，這種智能表帶不僅能夠?yàn)槭直硖峁┠芰?，還能保留形狀記憶特性，可以在接觸人體的時(shí)候自動(dòng)的“戴”在手腕上。此外，即便表帶直接接觸皮膚，其優(yōu)異的生物相容性也不會(huì)對(duì)身體造成傷害。相關(guān)工作發(fā)表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201600763)上。

以上工作得到了國家自然科學(xué)基金、蘭州化物所“一三五”重點(diǎn)培育項(xiàng)目的資助和支持。