研究背景：

隨著輕量化、微型化、高度集成化以及可穿戴、可植入式的電子器件的發(fā)展，開發(fā)小型的、柔性的、具有高容量的儲能器件具有重要的意義。超級電容器因其具有高功率密度、穩(wěn)定的循環(huán)性能、快速充放電等優(yōu)點，使得他們更適合作為微電子設(shè)備的儲能器件。柔性微型超級電容器在緊湊的設(shè)計、平面結(jié)構(gòu)和簡單的系統(tǒng)集成方面是新一代柔性微型儲能器件的代表，可以輕松實現(xiàn)與人體集成，用于健康監(jiān)測、智能織物、柔性顯示和電子皮膚傳感器等前沿應(yīng)用。通過串并聯(lián)微型超級電容器，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓和容量，以滿足不同電子電路的需求，因此，可拉伸的微型超級電容器被認為是下一代可穿戴電子設(shè)備的關(guān)鍵儲能設(shè)備。

文章概述：

近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院孔德圣教授和陸延青教授課題組聯(lián)合報道了一種基于MXene材料的可拉伸微型超級電容器，可以實現(xiàn)800%的超大面積形變，面積比容量達到185mF cm-2，具有穩(wěn)定優(yōu)異的電化學(xué)性能和良好的機械拉伸性能，為提高基于二維納米材料的微超級電容器的可拉伸性提供了一種設(shè)計思路。

MXene?是一類二維過渡金屬碳氮化合物，具有金屬導(dǎo)電性、親水性、較高的功率密度以及優(yōu)異的可加工性，是兼具有雙電層電容和贗電容兩種儲能機制的優(yōu)秀的超級電容器電極材料。通過真空抽濾得到MXene薄膜，在表面真空蒸鍍一層Au集流體以提高叉指微型超級電容器的倍率性能，將復(fù)合薄膜轉(zhuǎn)移到預(yù)拉伸丙烯酸彈性基底上，釋放應(yīng)力，回縮形成褶皺結(jié)構(gòu)，再通過紅外激光選擇性燒蝕得到叉指電極。PVA-H3PO4作為凝膠電解液均勻覆蓋在平面電極上，該微型超級電容器在掃速為2.0 mV s-1時的面積比容量高達185 mF cm-2并且在?10000次充放電循環(huán)后具有良好的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)800%的面積形變并基本保持84.4%容量。除了可以實現(xiàn)超大的靜態(tài)拉伸形變，設(shè)計的微型超級電容器在1000次動態(tài)拉伸循環(huán)中也保持穩(wěn)定的充放電能力和循環(huán)后較好的容量保持。該可拉伸微型超級電容器可以很容易的實現(xiàn)多個單元的串聯(lián)和并聯(lián)，以實現(xiàn)調(diào)整輸出電壓和總的電容的目的。成功組裝了一個包含LED陣列和四個微型超級電容器單元的自供電系統(tǒng)，實現(xiàn)在?800%面積應(yīng)變下的穩(wěn)定運行。MXene微型超級電容器具有優(yōu)異的電化學(xué)性能和超高的機械拉伸性能，是在貼膚集成傳感器、智能可穿戴設(shè)備和柔性機器人等新興領(lǐng)域是有廣闊前景的儲能設(shè)備。

圖1?MXene可拉伸微型超級電容器的制備與表征。（a）MXene可拉伸微型超級電容器的工藝流程示意圖；（b）微型超級電容器在面積應(yīng)變?yōu)?%(上)和800%（下）的光學(xué)圖像；（c）對應(yīng)的叉指電極微觀結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微圖像，0%(左)和800%(右)。

圖2?（a）MXene和MXene/Au復(fù)合電極的微型超級電容器在50 mV s-1掃速下的循環(huán)伏安（CV）曲線；（b）兩種超級電容器基于CV曲線計算的在不同掃速下的面積比容量變化；（c）兩種超級電容器在完全松弛狀態(tài)下交流阻抗（EIS）圖譜的尼奎斯特圖。

圖3?MXene薄膜厚度對微型超級電容器機械和電化學(xué)性能的影響。（a）不同厚度MXene薄膜的褶皺電極的SEM圖像；（b）可拉伸MXene電極在0%(上)和800%(下)面積應(yīng)變下四探針電阻測量的光學(xué)圖像；（c）不同厚度電極經(jīng)過1000次拉伸-松弛循環(huán)到800%面積應(yīng)變的電阻變化；（d）初始狀態(tài)和拉伸1000次循環(huán)后的容量對比。

圖4微型超級電容器在靜態(tài)和拉伸條件下的電化學(xué)性能。MXene微型超級電容器（a）在2.0 ~ 100 mV s?1掃速下的CV曲線；（b）在1.0 A g-1的電流密度下充放電（GCD）循環(huán)10000次的電容保持；（c）在不同面積應(yīng)變下20mv s?1掃速的CV曲線；（d）在不同面積應(yīng)變下的容量保持；（e）在不同拉伸循環(huán)次數(shù)下的容量保持；（f）在靜態(tài)和動態(tài)拉伸循環(huán)狀態(tài)下的GCD曲線，應(yīng)變率分別為20%、40%和60% s-1時動態(tài)拉伸過程對應(yīng)的面積應(yīng)變隨時間的變化。

圖5可拉伸微型超級電容器集成自供電可穿戴系統(tǒng)。（a）串聯(lián)和并聯(lián)的MXene微型超級電容器示意圖；（b）串聯(lián)多個MXene微型超級電容器在1A g-1的電流密度下的GCD曲線；（c）并聯(lián)多個MXene微型超級電容器在1A g-1的電流密度下的GCD曲線；（d）可穿戴自供電系統(tǒng)示意圖；（e）可穿戴自供電系統(tǒng)在0%(左)和800%(右)面積應(yīng)變下的圖像；（f）可穿戴自供電系統(tǒng)穿戴在人體手腕上正常工作展示圖。

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