宁波材料所《ACS AEM》:石墨烯-导电聚合物水凝胶复合膜，用于可拉伸超级电容器

成果简介

石墨烯薄膜由于其高导电性和良好的机械强度，在超级电容器中得到了广泛的应用；然而，由于其低弹性变形能力，其在可拉伸超级电容器中的应用仍然受到阻碍。本文，中国科学院宁波材料技术与工程研究所周旭峰研究员/刘兆平教授团队在《ACS Appl. Energy Mater》期刊发表名为“Highly Deformable Graphene/Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):Poly(styrene Sulfonate) Hydrogel Composite Film for Stretchable Supercapacitors”的论文，研究将石墨烯与导电聚合物（PEDOT:PSS）的水凝胶杂化赋予石墨烯薄膜以显著改善的延展性。所得石墨烯-导电聚合物水凝胶复合膜（GCPH）可以拉伸到其原始长度的 114.6%。同时，它具有比纯石墨烯膜高得多的比电容（28.52 F g–1），因为 PEDOT:PSS 水凝胶可防止石墨烯重新堆叠。

研制了一种基于GCPH薄膜电极的全凝胶态平面超级电容器，该电容器在拉伸状态下表现出优异的电化学性能。即使将器件拉伸到其原始长度的 220%（比预应变极限多 20%），也没有显示出明显的电容下降，并且在重复拉伸-释放循环后仍保持其初始电容的98.23%。石墨烯/导电聚合物水凝胶复合膜电极的优异电化学性能证明了其在石墨烯薄膜基可拉伸超级电容器中的应用前景。

图文导读

图1. (A) GCPH 薄膜电极制备过程示意图。(B) 石墨烯/导电聚合物混合溶液的 Zeta 电位。(C) 干燥的石墨烯/导电聚合物复合材料样品的拉曼光谱。

图2. (A) GCPH-III 薄膜的横截面 SEM 图像和光学图像（插图）。(B) 冻干GCPH-III薄膜浸入去离子水中后的 SEM 图像和光学图像 (插图)。(C) GCPH-III 薄膜的元素映射。(D) GCPH 薄膜和纯石墨烯薄膜的 FTIR 光谱。

图3. (A) 应力-应变曲线和 (B) GCPH 薄膜和纯石墨烯薄膜的动态电阻。(C) GCPH薄膜和纯石墨烯薄膜在应变下的失效机理示意图。

图4. 在三电极配置中测量的GCPH薄膜的电化学性能

图5. 基于GCPH薄膜的可拉伸超级电容器的电化学性能

小结

总之，石墨烯与导电聚合物（PEDOT:PSS）水凝胶的杂化可以有效提高石墨烯薄膜基可拉伸电极的机械和电化学性能。石墨烯/导电聚合物水凝胶复合薄膜的拉伸可达14.6%，远超纯石墨烯薄膜的0.55%。综上所述表明，导电水凝胶在提高石墨烯薄膜基可拉伸超级电容器的性能方面具有巨大潜力。

文献：https://doi.org/10.1021/acsaem.2c00815