【摘 要】
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纺织品的智能化和功能化及纺织染整加工技术的不断拓展,推动了柔性、可穿戴电子产品的快速发展。其中,开发微型化电极和构建平面化储能器件是实现电子产品柔性、可穿戴的关键。目前,平面微型超级电容器(MSCs)因其优异的片上集成性、快速充放电和长循环寿命等特点而受到关注。据此,本文以纺织材料的创新性应用和能源存储器件制备技术革新为背景,以平面MSCs为研究对象,以液态金属镓铟合金(EGaIn)的稳定分散为切
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纺织品的智能化和功能化及纺织染整加工技术的不断拓展,推动了柔性、可穿戴电子产品的快速发展。其中,开发微型化电极和构建平面化储能器件是实现电子产品柔性、可穿戴的关键。目前,平面微型超级电容器(MSCs)因其优异的片上集成性、快速充放电和长循环寿命等特点而受到关注。据此,本文以纺织材料的创新性应用和能源存储器件制备技术革新为背景,以平面MSCs为研究对象,以液态金属镓铟合金(EGaIn)的稳定分散为切入点,结合丝素(SF)特性,研究EGaIn/SF电子墨水的性能。在此基础上,借助平网印花策略,针对平面MSCs电子电导率低、离子传输速率慢和机械性能有限的问题,进行器件结构设计和材料优化,并根据材料、结构和性能间的关系,解析其储能机理。(1)借助SF对EGaIn的配位作用,获得高导电EGaIn/SF电子墨水。以提升平面MSCs电子电导率为出发点,借助超声空化作用,解决EGaIn表面张力大的问题,实现其在水溶液中的稳定分散。通过解析所提取SF的构象转变,阐释SF与EGaIn之间的作用关系。并采用聚环氧乙烷(PEO)调节墨水黏度,通过探究墨水组成和印制工艺参数,获得EGaIn/SF电子墨水最佳配方(1 g SF、2 g EGaIn、20 m L去离子水和0.3 g PEO)。测试表明,该墨水平均粘度为38.34 m Pa·s,具有优异流变性,可实现在不同基材上的高分辨率印制。另外,研究发现印制的导电层具有独特的导电恢复机制,包括重力沉积、蒸发诱导、机械烧结和EGaIn表面自愈合四个作用过程。(2)从提高平面MSCs离子扩散速率角度出发,进行可弯曲MSCs(b-MSCs)的平网印花制备及储能研究。通过开发石墨烯电极墨水和优化印花工艺参数,获得3D阵列结构电极,并封装成平面b-MSCs。通过建立3D阵列结构电极模型,明晰该结构独特的多向离子扩散效应,可通过增加电解质离子传输方向和路径,有效减小离子传输障碍,改善离子传输动力学。所制备的b-MSCs在25μA cm-2电流密度下具有35.72 m F cm-2(10.26 m F cm-3)面积(体积)电容,在0-180°不同弯曲角度和0-500次弯曲后,储能性能稳定。同时,可轻松实现集成化。(3)从提高平面MSCs机械性能角度出发,进行可拉伸MSCs(s-MSCs)的平网印花制备及储能研究。采用静电纺丝制备TPU可拉伸纳米纤维(TPU s-NFs)膜,借助EGaIn的高导电和自愈合特性,获得图案化TPU s-NFs可拉伸EGaIn集流器。在此基础上,进行电极的对称或非对称印制和封装优化,获得平面s-MSCs。其中,自愈合EGaIn集流器的存在,为s-MSCs在拉伸动态下导电性的实时恢复提供保障,解决其拉伸状态下的电子电导率问题。测试表明,非对称s-MSCs的储能性能明显优于对称s-MSCs,其在120%缓慢持续拉伸状态下,充放电1500次后容量保留率达97.1%,在0-180%反复拉伸状态下,充放电5000次后的容量保留率仍大于70%。
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