柔性可穿戴设备多功能三维电极加工及其储能研究

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智能可穿戴电子设备(intelligent wearable electronic devices,IWEDs)已经广泛应用在日常生活中,且IWEDs朝着轻量化和柔性化的方向发展。传统集流体集成的微能源器件(micro energy devices,MEDs)过于刚性和体积庞大,显然不适于便携使用。此外,IWEDs的迅速发展促生了一体化多功能的集成MEDs,即在原有功能(储能+可穿戴)基础上,集成了电致变色、透明和自愈合等附加功能。集流体作为电池/电容器的核心部件,主要用于承载活性物质和汇集并传递电子。而商用的平面型铝箔和铜箔集流体可负载活性物质有限,因而导致整个设备能量密度低且质量较大。因此,开发高负载的轻质柔性的三维集流体并集成为多功能MEDs已经尤为关键。先前的研究工作聚焦于减小集流体的厚度,但有限的负载量始终很难达到供能与功能俱佳,因而很困难走向市场应用。本文结合光刻与电化学沉积技术制备出了三维轻薄柔性金属微网格集流体,并且集成的柔性多功能三维电极具有出色的性能,主要研究如下:(1)通过紫外光刻与电沉积技术来构筑柔性超薄三维有序互连导电微网格。经拉伸与弯曲测试表征并发现三维镍微金属网格(3D NM)经过多次弯曲后电阻几乎不变,表现出优异的机械性柔韧性,说明其抗拉伸强度高,且面密度远远胜于目前市场上的柔性三维集流体。将3D NM与高容量的镍钴双金属氢氧化物(NiCoBH)集成为一体化的柔性智能超级电容器。通过电化学测试表明,相比于平面型NM@NiCoBH电极,三维多功能电极具有更高的比电容与优异的倍率性能。集成柔性一体化的智能混合超级电容器表现出高的比容量与优异的稳定性,而且通过器件颜色变化(1.5 V时显示墨绿色,0 V显示棕色)直观显示储电量。(2)通过设计调整金属网格图案的占空比与图案形状,结合光刻与电沉积技术得到超轻柔性透明的3D NM,进一步电镀Cu与刻蚀得到具有三维结构的3D NM@Cu(OH)2@NiCoBH透明电极。三维结构能增加电极与电解质之间有效接触面积,同时自支撑电极可以实现快速电子转移,有利于提高电池的比容量与倍率特性。光学与电化学测试表明:3D NM@Cu(OH)2@NiCoBH电极比电容高达66.03μAh cm-2,63%@550 nm的透光率;集成的柔性固态一体化透明碱性锌电池比容量高达44.86μAh cm-2,36%@550 nm的透光率。
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