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随着科学技术的飞速发展,可穿戴智能设备在许多领域得到应用,作为智能可穿戴设备的储能器件,超级电容器具有功率密度高,充电速度快,循环寿命长和安全稳定等优点。为了适应移动可穿戴电子器件的需求,超级电容器逐渐向柔性化和小型化的趋势发展,并取得了重大进展。柔性二维叠层超级电容器和一维纤维状超级电容器也陆续被开发出来,但是柔性超级电容器还是存在一些不足,如器件体积比容量和能量密度比较低,机械稳定性差,在形变过程中电化学性能衰减等。本论文针对以上问题试图从器件结构设计与优化制备工艺等方面展开研究,论文的具体内容和结论如下:(1)目前商用超级电容器采用金属集流体,金属集流体和活性物质的固/固界面存在较大的内部阻抗,导致离子扩散路径延长,阻碍了电子传输,而且柔性也较差,本实验采用碳纳米管宏观膜(carbon nanotubes macroscopic film,CMF)作为集流体,制备紧密结合的CMF/AC准一体化电极,此外CMF良好的电解液润湿性能够在形变作用下促进电解液离子的扩散。相比金属集流体,基于CMF的超级电容器展现了优异的电化学性能,在0.1 A/g的电流密度下,器件的体积比容量为48.5 F/cm~3,而电流密度增加到16 A/g,仍然保留了82.5%的体积比容量,能量密度为104.9 Wh/L。更重要的是,基于CMF的柔性超级电容器在不同形变状态下,即使在低温负压状态,超级电容器依然显示出优异的倍率性能和机械稳定性,基于CMF的高性能超级电容器的可穿戴智能设备有望应用于不同的操作环境,同时研究基于提升CMF与活性物质的电极界面强度,为构建满足电子设备需求的柔性高能量密度超级电容器开辟了全新视角。(2)一维储能器件柔韧性好、可编织,做为可穿戴电子产品的储能器件。当前一维储能器件由于活性物质负载量少而且电极之间接触面积小,导致较低的电化学性能,难以满足实际应用。本文采用CMF负载活性物质,钛酸锂(LTO)为负极,活性炭(AC)为正极,制备一维线状锂离子超级电容器(cable-type lithium-ion supercapacitors,CLiSc),活性材料锚定在CMF膜表面,CMF表面的碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)嵌入到活性材料中,提升了活性物质与集流体间的界面强度,得到高负载柔性电极,电极活性物质负载可达13.6 mg/cm~2,制备的CLiSc表现出高性能和优异的稳定性。器件的体积能量密度可达14.1 mWh/cm~3,超过了所有近期报道的线状超级电容器(近5倍),在1A/g的电流密度下,CLiSc的质量比容量为42.1 mAh/g,器件经过3500次弯曲循环测试依然能保持87.4%的初始容量,显示出器件优异的机械稳定性,主要是得益于CMF具有稳定的锚定作用和较高的接触面积,丰富了电子在集流体和活性物质界面间的传输路径,促进了离子和电子的快速运动。CLiSc还可以适应各种各样的应用,例如弯曲、打结、编织和串并联连接等。另外CLiSc还可以通过轴心碳纳米管纤维(carbon nanotubes fiber,CNF)实现同侧连接器件,这种新型的CLiSc有望应用于可穿戴电子设备。