碳化棉織物電極的研究進展

李 俐,閆秋帥,肖 琪

(常熟理工學院 紡織服裝與設計學院,江蘇 常熟 215000)

柔性超級電容器作為新—代的儲能設備[1],具有巨大的應用前景,受到了學術界和工業界的廣泛關注。要獲得具有優異性能的柔性超級電容器,重點在于獲得具有柔性和優異性能的電極[2],理想的電極材料應具有良好的導電性、生物相容性、高表面積、無腐蝕性和廉價等特點。而目前最常用的碳基材料,它們的表面相對光滑,效率較低,性能較差,需要對其進行廣泛的研究,但這些修飾或改性的成本過高。因此,開發高性能、低成本的碳基電極材料是必要的[3]。同時研究者們發現用于紡織物的棉花是一種低成本的天然產品,具有良好的服用性能,通過簡單的碳化處理,可以將棉纖維直接轉化為碳化棉纖維,同時保留紡織物的機械性能和結構相容性,并產生高導電性的碳化纖維,具有良好的柔韌性和多孔性[4],但是碳化棉織物作為電極材料仍然存在很多問題。本文主要介紹了柔性超級電容器、碳基材料的分類以及碳化棉織物的研究現狀,分析了碳化棉織物的優缺點,為獲得性能優異的碳化棉織物基電極提供思路。

1 柔性超級電容器

1.1 柔性超級電容器的概述

隨著柔性可穿戴電子設備的發展,能為其提供高能量、高功率的柔性超級電容器備受關注,并且通過不斷深入研究,該儲能裝置在各類電子設備的應用中顯示出了良好的前景。

柔性超級電容器主要由集流體、電解質、電極、隔膜組成[5],其中集流體作為導電基底,主要用于負載電化學活性物質和器件的外部電路連接,便于電子的快速傳遞;電解質位于電極之間提供導電離子,電解質可以是液體形式或凝膠形式;電極由電化學活性材料制成,主要作用為電荷存儲,是影響超級電容器柔性與電化學性能的主要部分;隔膜負責隔開電極,避免發生短路[6-8]。

2 柔性電極及分類

2.1 柔性電極概述

柔性電極作為柔性超級電容器的重要組成部分之一,直接影響著器件的綜合性能。因此,尋找優異、輕薄、成本低、可再生的材料制備柔性電極成為人們研究的熱點。

早期,研究者們采用金屬箔、金屬網或者金屬泡沫作為柔性基底,但金屬基底固有的剛性結構一方面降低了整個裝置的真實能量密度,另一方面,其有限的機械柔性在連續形變過程中很容易導致活性物質與基底材料脫離,難以滿足可穿戴設備的實際應用[9]。

對目前來說,研究主要集中在開發非金屬柔性基底,例如商用碳化材料(碳布、碳氈)[10]或聚合物基底(紙、織物、紗線)等[11]。因此,獲得具有良好機械柔性和優異電化學性能柔性電極的關鍵在于選擇合適的柔性基底。

2.2 柔性電極分類

2.2.1 金屬基柔性電極

金屬基底(如金屬箔、金屬網或金屬泡沫)因其良好的導電性和一定的機械柔性最早被用于柔性電極的制備。原位生長(水熱、電沉積等)可用于制備無粘結劑或添加劑的柔性電極,保證活性物質與集流體之間的緊密接觸,方便電荷的快速轉移,但它們的形變能力不足以承受反復彎曲、折疊、扭曲等變形,會導致器件性能大幅度衰減[12]。

2.2.2 紙基柔性電極

采用不同方法如將石墨烯、碳納米管、銀納米線或其他高導電材料與紙基張進行功能化復合[13,14]的方法取得了較大發展,但是紙張本身的絕緣性、有限的力學性能且不耐酸堿,使其在連續形變過程中,很難保持電化學性能的穩定。

2.2.3 碳材料基柔性電極

電導率是影響電極電化學性能的關鍵因素,柔性電極總的電阻包括活性材料的電阻,集流體的電阻,以及活性材料與集流體之間的界面電阻[15]。因此,要想獲得優異的電化學性能,需要盡可能的降低各部分的電阻。相比于紙基柔性電極,碳材料基柔性電極表現出更好的導電性,如碳納米纖維、石墨烯、碳納米管等。碳納米管和石墨烯具有優異的機械強度、高的電導率、大的比表面積等優點,近20年來被廣泛應用于電化學儲能和轉換器件中。

2.2.4 碳布基柔性電極

碳布是一種由大量直徑5 μm～10 μm均勻分布的碳納米纖維組成的高導電三維網絡結構,具有優異的機械柔性和化學穩定性,這些獨特的性質使其可以作為良好的柔性電極支撐材料或集流體。但由于商業化碳布相對較低的比表面積、較差的孔隙率和較低的電化學活性,純碳布表現出較差的電容性能[16]。

2.2.5 織物基柔性電極

相比于其他柔性基底,織物基底是由單根纖維相互纏繞而形成的三維互聯網絡,具有優異的機械柔性[17],生產工藝成熟、質輕、比表面積大,具有良好的透氣性和可穿戴特性,易集成到柔性可穿戴電子產品中,在未來智能電子產品的應用中表現出巨大的應用潛力。

3 碳化棉織物電極及研究現狀

3.1 碳化棉織物

棉織物作為一種低成本的天然紡織品,具有高柔性和多孔結構,利于設計、制備柔性電極材料。然而棉織物本身絕緣,不導電,不利于獲得良好的電化學性能[9]。為了使棉織物導電,現所采用的策略主要包括兩種:一是通過在其表面負載導電材料(如導電聚合物、碳材料和金屬)實現;第二,將棉織物碳化使其轉化為碳化織物材料,賦予碳織物良好的互連導電性,與此同時棉織物也能保持原有織物的編織結構和柔性性能[18,19]。

由于棉纖維的低熱/化學穩定性,使得應用第一種策略制備電極材料的研究存在極大的瓶頸。而第二種策略所得到的碳化織物所具有的高導電性、有序的編織結構和高熱/化學穩定性,為進一步設計和制備高性能柔性超級電容器電極提供了良好的平臺。

3.2 碳化棉織物的研究現狀

目前常見的碳化棉織物制備方式是將棉織物在氮氣氛圍環境對棉織物進行燒結,然后進一步在高溫下對燒結的棉織物進行碳化,使其自然冷卻,最終獲得碳化棉織物[20]。經過碳化后的棉織物不僅繼承了織物的多孔特征和紡織品結構,而且還可以產生高導電性的碳化纖維,因其良好的柔韌性和多孔性,被認為是理想柔性基底材料,如倪海粟[21]采用棉織物為原材料,通過碳化處理和浸漬干燥工藝制備出碳化棉織物和碳化棉,并開發出基碳化棉織物電加熱元件,發現可以通過調節施加電壓和改變樣品電阻控制碳化棉織物的加熱溫度;常勝男[22]通過簡單的制備工藝,使用低成本的原材料制備出高導電、高柔性的碳化棉織物/熱塑性聚氨酯復合材料,并以碳化棉織物/熱塑性聚氨酯復合材料為關鍵元件,通過簡單的組裝成功制造了柔性壓力傳感器,該傳感器在多方面均顯示出優異的傳感性能;曾麗珍,何苗[23]使用廉價的日常廢棉紡織物作為原材料,通過碳化處理制備出碳化棉織物電極,并且用于微生物燃料電池的陽極材料。研究結果顯示,電極的表面比較粗糙,比表面積為209.64 m2·g-1,大大增強了電極與細菌之間的相互作用,從而增加了細菌在電極上的負載量,促進了細菌胞外電子傳遞,另外充分利用廉價的廢棉紡織物,可以大幅降低電極的成本,同時減少環境污染問題。

4 結語

與其他碳基電極相比,碳化棉織物電極因其自身材料及結構特點具有柔軟性、舒適性、環保性、低成本、可再生、便于集成于服裝等優勢,得到國內外研究人員廣泛的關注,但其表面存在大量具有無序孔道結構的微孔,影響電解質離子的吸附。未來通過碳化工藝的改進,優化棉織物表面的孔道結構可賦予碳化棉織物電極更加優異的電化學性能,也將成為碳化棉織物電極領域的研究重點。