【摘 要】
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随着个人可穿戴电子设备的小型化,已投入大量精力来开发高性能的柔性可拉伸储能设备,为集成有源设备供电。超级电容器因其简单结构、高功率密度和循环稳定性而可以发挥这一作用。而柔性微型电子技术面临的主要挑战之一便是设计和制备与其相适应的轻微电化学式柔性存储器件。其中主要包括了碳纳米管、二维过渡金属碳(氮)化物(MXenes)、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)等具有高导电性、高比容量、优越的亲水性和丰富
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随着个人可穿戴电子设备的小型化,已投入大量精力来开发高性能的柔性可拉伸储能设备,为集成有源设备供电。超级电容器因其简单结构、高功率密度和循环稳定性而可以发挥这一作用。而柔性微型电子技术面临的主要挑战之一便是设计和制备与其相适应的轻微电化学式柔性存储器件。其中主要包括了碳纳米管、二维过渡金属碳(氮)化物(MXenes)、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)等具有高导电性、高比容量、优越的亲水性和丰富的表面化学性质等材料,被认为是一种很有前途的柔性电极。但是在柔性基板上沉积电极材料的技术仍处于起步阶段。如果可以解决大尺寸锌离子(Zn2+)载荷子的迁移动力学缓慢的问题,那么MXenes已被确定为锌离子混合微超级电容器(ZHMSC)的有前途的电容器型电极材料。层间结构的合理设计是解决问题和最大化其电荷存储能力的关键。通过在MXene纳米片之间插入一维(1D)“核-壳”结构,导电聚吡咯包裹的细菌纤维素(BC@PPy),就能够巧妙地构造出MXene/BC@PPy杂化膜。电化学测试表明,MXene/BC@PPy杂化膜层间距扩大后能够显著地促进MXene/BC@PPy主电极中Zn2+在片层间转移,其扩散系数为1.67×10-8cm~2s-1),而相比之下,在没有BC@PPy纳米间隔物的纯MXene薄膜电极中,Zn2+的扩散系数只有0.0077×10-8cm~2s-1。结合BC@PPy纳米间隔物的其他积极作用,不仅提供了额外的活性存储位点,而且更重要的是减轻了松散MXene纳米片之间电导率的降低。与纯MXene薄膜电极的面电容(38 m F cm-2)相比,MXene/BC@PPy杂化电极的面电容(388 m F cm-2)增加了十倍以上,与CNTs/Mn O2电池型电极相比,可以获得具有145.4μWh cm-2的面能量密度和出色的寿命(25000次循环后容量保持力为95.8%)的ZHMSC。进一步扎根于一种新颖的“岛-液态金属桥”架构,该结构使ZHMSC与具有机械变形结构的本征可拉伸液态金属桥任意集成,并展示了一种超可拉伸ZHMSC阵列,该阵列具有可调输出电压(1.9~7.6 V)/能量(122.5~128.4μWh)和出色的可拉伸性(400%伸长率),证实了其对于下一代微功率解决方案的强大技术实力。
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