柔性超级电容器具有高功率密度、长循环寿命、可变形等优点,是目前柔性储能领域的研究热点。众所周知,超级电容器往往通过电解质离子在多孔电极表面(或近表面)上的可逆电化学吸附来储存电荷。因此,凭借高导电性、三维(3D)多孔网络结构以及优异的化学稳定性,碳纳米管(CNTs)薄膜(亦称作巴基纸,Buckypaper)在超级电容器电极方面展现出非凡的应用前景。然而,类似于经典童话故事《三只小猪》中的稻草屋,CNTs薄膜/巴基纸的缺点在于其极差的机械力学性能(例如,抗张强度通常低于20 MPa),严重限制了其在柔性储能领域的实际应用。
值得指出的是,CNTs的离散特性是导致其宏观组装体力学性能受限的主要原因。从微观尺度的角度来看,CNTs倾向于在网络中随机取向,使得管间的相互作用力较弱(仅在管-管连接处存在范德华力),由此限制了整个网络中的剪切应力传递。近年来,以共价/非共价接枝和聚合物功能化为代表的界面交联技术已成为改善CNTs之间应力转移的主流方法,但由此制备出的巴基纸复合材料尚未产生令人印象深刻的力学特性;此外,通过定向排列CNTs的方式也可以制备出力学自增强的巴基纸,但CNTs的高度取向不可避免地会伴随着多孔网络结构的消除,明显弱化了巴基纸作为电极材料的潜力。总之,目前对于CNTs薄膜/巴基纸力学性能和电化学性能之间的兼容性缺乏系统的研究,将多孔的CNTs框架优化为实际可用的柔性超级电容器电极尚存在挑战。
针对上述问题,南京理工大学贾红兵教授团队以芳纶纳米纤维(ANFs)分别作为补强填料和柔性基底,设计了两种高性能的碳纳米管基柔性薄膜电极,相关研究成果分别发表于国际材料学权威期刊《Advanced Functional Materials》和《Journal of Materials Chemistry A》。
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