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(yè)界的廣泛關注。要獲得具有優(yōu)異性能的柔性超級電容器,重點在于獲得具有柔性和優(yōu)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(fā)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(fā)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(yōu)缺點,為獲得性能優(yōu)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(fā)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(fā)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(yōu)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(xù)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(fā)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(yōu)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(fā)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(xù)形變過程中,很難保持電化學性能的穩(wěn)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(yōu)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(yōu)異的機械強度、高的電導率、大的比表面積等優(yōu)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(yōu)異的機械柔性和化學穩(wěn)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(yè)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(yōu)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(wěn)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(wěn)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(huán)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(fā)出基碳化棉織物電加熱元件,發(fā)現可以通過調節(jié)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(yōu)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(huán)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(huán)保性、低成本、可再生、便于集成于服裝等優(yōu)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(yōu)化棉織物表面的孔道結構可賦予碳化棉織物電極更加優(yōu)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。