柔性超級電容器具有高功率密度、長循環壽命、可變形等優點,是目前柔性儲能領域的研究熱點。眾所周知,超級電容器往往通過電解質離子在多孔電極表面(或近表面)上的可逆電化學吸附來儲存電荷。因此,憑借高導電性、三維(3D)多孔網絡結構以及優異的化學穩定性,碳納米管(CNTs)薄膜(亦稱作巴基紙,Buckypaper)在超級電容器電極方面展現出非凡的應用前景。然而,類似于經典童話故事《三只小豬》中的稻草屋,CNTs薄膜/巴基紙的缺點在于其極差的機械力學性能(例如,抗張強度通常低于20 MPa),嚴重限制了其在柔性儲能領域的實際應用。
值得指出的是,CNTs的離散特性是導致其宏觀組裝體力學性能受限的主要原因。從微觀尺度的角度來看,CNTs傾向于在網絡中隨機取向,使得管間的相互作用力較弱(僅在管-管連接處存在范德華力),由此限制了整個網絡中的剪切應力傳遞。近年來,以共價/非共價接枝和聚合物功能化為代表的界面交聯技術已成為改善CNTs之間應力轉移的主流方法,但由此制備出的巴基紙復合材料尚未產生令人印象深刻的力學特性;此外,通過定向排列CNTs的方式也可以制備出力學自增強的巴基紙,但CNTs的高度取向不可避免地會伴隨著多孔網絡結構的消除,明顯弱化了巴基紙作為電極材料的潛力。總之,目前對于CNTs薄膜/巴基紙力學性能和電化學性能之間的兼容性缺乏系統的研究,將多孔的CNTs框架優化為實際可用的柔性超級電容器電極尚存在挑戰。
針對上述問題,南京理工大學賈紅兵教授團隊以芳綸納米纖維(ANFs)分別作為補強填料和柔性基底,設計了兩種高性能的碳納米管基柔性薄膜電極,相關研究成果分別發表于國際材料學權威期刊《Advanced Functional Materials》和《Journal of Materials Chemistry A》。
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