NML研究论文 | “高颜值”可穿戴超级电容器:改性聚氨酯人造革电解质提高可穿戴性

【引言】

可穿戴储能器件 是可穿戴电子设备的关键组成部分。尽管一般用于可穿戴设备的超级电容器都设计成可编织线状结构,但由于聚电解质层的存在(厚度远大于100 μm)大大降低了舒适性和可穿戴性。


本文亮点

 将能量储存和皮革工业相结合,制备了一种可穿戴、易转移、能发荧光的人造革超级电容器,解决了传统超级电容器因存在电解质层的穿戴舒适性难题。

 用无害的NaCl和离子功能团修饰了人造革主要成分聚氨酯,使其同时具有电解质层的作用。

 这种具有荧光的人造革超级电容器可以方便地从任何基底转移,形成各种各样的图案,从而满足实际穿戴、时尚性、能量储存等各种需求。


内容简介

香港城市大学支春義教授等人受成熟人造革服装工业的启发,发明了一种基于聚氨酯人造革超级电容器,皮革层内部的片状电极同时充当聚电解质。这种设计保留了超容器件覆盖下的织物的结构,解决了储能器件穿戴舒适性的难点问题。此外,相比传统的聚乙烯醇基酸电解质,通过使用NaCl对天然荧光聚氨酯皮革进行改性,避免了对人体的伤害。

该研究提出了可穿戴超级电容器的革命性结构设计,荧光皮革超级电容器可以转移到任意基底上形成任意图案,从而满足高舒适性、高颜值、高储能等多功能需求。


图文导读

1    聚氨酯(PU)人造革聚电解质的改性和理化性能

聚氨酯(PU)人造革作为天然皮革的理想替代品,已经在服装行业得到了实质性的应用。水性聚氨酯(wPU)逐渐取代有机溶剂型,成为工业发展的重要方向。PU链可以很好地分散在水中,当离子基团如羧基被接到PU链上时,形成离子型水性聚氨酯(iwPU)。在wPU单体的预聚合过程中,加入含羧基的扩链剂,经聚合后接到PU链上。其离子电导率由于离子的结合得到提高。为了显著提高离子浓度并显示各种颜色,加入无毒强电解质NaCl以及少量染料分子(10 μM)来进一步修饰iwPU,即形成改性离子型水性聚氨酯(miwPU),可同时用作无害电解质和有色人造革。

2  超级电容器中改性离子型水性聚氨酯(miwPU聚电解质的电化学性能


循环稳定性测试表明,经过2500次循环后,超级电容器的电容保留率为80%,在所有循环期间库仑效率为100%,这比基于PPy的超级电容器报道的更好。

对超级电容器进行一系列变形测试,如在0°,45°,90°,135°,180°折叠和扭曲。所有CV曲线在整个变形过程中几乎完全重叠,这表明PU凝胶具有良好的机械性能,可穿戴电子设备有良好的器件柔韧性。

此外,通过在miwPU人造皮革超级电容器上喷洒防水喷雾剂,CV曲线在水溅射前后几乎相同,表明该设备具有良好的防水性能。

3   穿戴荧光改性离子型水性聚氨酯(miwPU人造革超级电容器袖miwPU人造皮革超级电容器可以显示丰富的图案。任何图案都可以从带图案的基底上轻松转印到皮革上。

所有带图案皮革的荧光效果都表现出略微的差异性,这可能是由于在miwPU中使用不同染料而导致其颜色差异所致。 但是,其电化学性能不受图案或颜色的影响。


作者简介

中科院物理所博士,日本国立材料研究所NIMS博士后研究员、ICYS研究员和高级研究员。

主要研究方向:1. 柔性可穿戴储能器件;2. 高热导率、多功能聚合物复合材料和BN纳米结构。

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Nano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在 Springer 开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。


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