《先进功能材料》报道具有全方位自修复功能的超级电容器

随着可穿戴电子设备如电子皮肤、智能服装等的出现，对储能器件的安全性和可靠性，尤其是抗物理破环性能提出更高的要求。而具有自修复功能的智能化储能器件（如自修复超级电容器、自修复锂离子电池等）有望解决这些问题。当自修复储能器件受到划破、穿刺、切割等物理破坏时，可不依靠外部刺激而实现自动恢复其储能特性。但现有自修复储能器件普遍缺乏具有自修复功能的电极，因而需要在传统电极表面包覆一层自愈合高分子材料。该额外修复层不仅降低了器件的体积或质量比容量，而且增加了器件设计和制造的难度。另外在实际应用中，储能器件不可避免遭受弯曲、拉伸、扭曲等形变，引起电极/电解质界面的滑移或剥离等现象，从而严重影响了器件内部离子和电子的输运。因此，如何实现储能器件的所有电活性组分的有效自修复是该领域的关键挑战。

▲ 图1.全修复电容器的制造示意图

▲ 图2.全修复电容器的实物图和电极/电解质界面显微照片

最近， 哈尔滨工业大学化学与化工学院 潘钦敏课题组 在国际著名刊物《先进功能材料》上报道了 具有全方位自修复功能的超级电容器 。该电容器不但能自行修复被破坏的电极和电解质，而且电极/电解质界面也具有自修复功能。为实现这一目标，潘钦敏和他的博士生 王志奎 采用常见的聚乙烯醇为原料，通过季铵盐接枝改性，提高聚乙烯醇在水中的溶解性和耐盐性，有效缓解了聚乙烯醇存在的盐析问题，保证了聚乙烯醇分子链的活动性。然后将高比表面积活性炭、乙炔黑和氯化钾集成到由动态硼酯键交联的聚乙烯醇超分子骨架中，形成具有电极/电解质/电极一体化结构的电容器（图1-2）。该电容器不但呈现良好柔性，而且在切断后，可以通过简单接触实现电极、电解质、电极/电解质界面的全方位修复，而不需外界刺激（图3）。

▲ 图3.电容器的自修复过程图

在经过15次切断-自修复过程后，该电容器仍保持原来的电化学性能如比容量、循环性能和倍率特性。利用该自修复特性，还可以对电容器进行随意裁剪而不影响其电化学性能，从而为制造异形储能器件提供了一种简易的新方法（图4）。

▲ 图4.电容器可以被自由裁剪成复杂形状

另外，该电容器即使经过反复弯曲或扭曲等变形后，其电化学性能，尤其是电极/电解质界面特性仍能保持稳定（图5）。因此，该电容器可通过切断和自修复的方法来多次点亮发光二极管（图6）。

▲ 图5.电容器经过反复弯曲和扭曲后仍保持稳定的电极/电解质界面

▲ 图6.电容器通过切断-自修复过程点亮LED

以上研究结果为设计具有全方位自修复功能的智能储能器件提供了一种新思路，可望用于电子皮肤、柔性机器人、可穿戴电子设备、智能纺织品等。

文献链接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201700690/abstract

来源：高分子科学前沿

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