《面向可穿戴電子的可拉伸彈性格線儲能器件的研究》是依託清華大學，由蒲娟擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：面向可穿戴電子的可拉伸彈性格線儲能器件的研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：蒲娟
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
可穿戴設備已成為電子行業的焦點。基於可穿戴電子設備的供電需要，非柔性、不具拉伸性的傳統能源供應裝置使得整個系統的可穿戴性受到極大挑戰。因此，可拉伸儲能單元成為可穿戴電子設備發展中的一個關鍵環節。.本項目旨在研究面向可穿戴電子的可拉伸儲能器件的共性問題，重點研究微型超級電容器陣列的可拉伸結構及全固態微型超級電容器3D電極材料，同時研究儲能器件與無線充電電路在可拉伸基底上的集成。首次提出基於彈性格線結構的可拉伸電子器件結構，通過電子器件及連線在格線上不同應變區域的設計，有望突破目前可穿戴電子器件拉伸性能的瓶頸；此外，提出將固體電解質通過物理混合或化學合成的方法嵌入到3D多孔碳電極中形成離子導通網路，以解決固體電解質在3D電極中的滲透問題，實現高儲能密度的全固態超級電容器；本項目將最終實現可拉伸的具有無線充電功能的高性能儲能系統。
結題摘要
攜帶型、可穿戴電子設備的迅速發展，極大地增加了對具有高可拉伸性和可集成性的儲能單元的需求。本項目首先研究了一種高能量密度的全固態三維微型超級電容器，提出了一種將凝膠電解質通過物理混合或化學合成的方法嵌入到三維多孔碳電極（石墨烯或活性炭）中形成離子導通網路，以解決固體電解質在三維電極中的滲透問題，降低固態超級電容器在充放電時離子的擴散路徑。在5 mV/s的掃描速度下，以活性炭/凝膠電解質（AC/PE）和石墨烯/凝膠電解質(Graphene/PE)作為複合電極材料的三維微型超級電容器分別實現了高達95 mF/cm2和134 mF/cm2的電容密度，在保證了全固態可集成性的同時，電容密度上可與傳統使用液態電解質的三維微型超級電容器相媲美；基於此全固態微型超級電容器技術，本項目進一步研究了一種基於蜂窩狀結構襯底結構的具有超高可拉伸性能的微型超級電容器陣列。蜂窩狀結構可以在陣列面臨較大形變時降低分擔到器件和連線上的應力。此項研究的結果顯示，使用了蜂窩狀機械結構和碳納米管電極材料的微型超級電容器陣列可以在無預應變下實現150%的拉伸，在-50%的預拉伸下實現275%的預拉伸，同時可以實現陣列的彎曲和扭曲；除此之外，本項目研究了一種基於超薄PI襯底的高柔性、摺疊性與捲曲性的高功率微型超級電容器。這種微型超級電容器可以實現在反覆的彎曲、摺疊和捲曲下不損耗其電容性能。器件功率密度高達1125 W/cm3，而充放電時間常數僅有1 ms，可以和商用電解電容器相媲美。此外，此微型超級電容器充放電速度可達1000 V/s，電容密度達1.6 F/cm3，能量密度達1.6 mWh/cm3，同時可以在100000次充放電後仍然保留96%的初始容量。本項目的直接成果已發表成高水平SCI論文3篇，包括ACS Nano，NPG Journal of Microsystems&Nanoengineering, Nanotechnology等高水平期刊，以及EI論文2篇，發表在MEMS領域高水平會議Transducers。同時，已申請國際專利一項，國內專利一項。
