柔性超級(jí)電容器凝膠材料

近年來(lái)，隨著社會(huì)的快速發(fā)展，化石能源快速消耗，以及伴隨著的環(huán)境污染日益嚴(yán)重，所以人類迫切需要可替代的新型清潔再生能源。電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)展被認(rèn)為是最實(shí)用和最有效的選擇之一。超級(jí)電容器以其具有高的功率密度，快速充放電速率和長(zhǎng)的循環(huán)壽命被認(rèn)為是一種重要的儲(chǔ)能設(shè)備，受到廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的超級(jí)電容器在受到損傷，發(fā)生機(jī)械變形后，容易出現(xiàn)液體泄漏、化學(xué)腐蝕等安全問(wèn)題。這些可能對(duì)設(shè)備的功能造成不可逆的損害，使可穿戴電子設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用成為難點(diǎn)。柔性固態(tài)超級(jí)電容器以其優(yōu)異的安全性和顯著的柔韌性成為當(dāng)前十分具有前景的能量?jī)?chǔ)存和能源供應(yīng)設(shè)備。近些年來(lái)，諸多研究人員采用各種方法制備了不同形貌與結(jié)構(gòu)的凝膠復(fù)合材料，并將其作為柔性固態(tài)超級(jí)電容器的電極或電解液材料。由于凝膠獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性使超級(jí)電容器具有超強(qiáng)的韌性，發(fā)展可拉伸的便攜式新型超級(jí)電容器就有了良好的研究思路。

因此，欲介紹各種凝膠材料的研究進(jìn)展。凝膠材料的分類導(dǎo)電聚合物凝膠復(fù)合材料Conductivepolymergelcomposites比電容高、價(jià)格低廉且易制備的聚苯胺（簡(jiǎn)稱PANI）是超級(jí)電容器電極使用最廣泛的材料之一。然而，相對(duì)較差的循環(huán)壽命和電化學(xué)穩(wěn)定性限制了它的實(shí)際應(yīng)用。相比之下，對(duì)于一些碳基材料，如活性炭（簡(jiǎn)稱AC）、多孔碳（簡(jiǎn)稱MC）、碳納米管（簡(jiǎn)稱CNT），雖然穩(wěn)定性好，但是受限于活性表面，電容值相對(duì)較低。聚合物凝膠復(fù)合材料結(jié)合了聚合物優(yōu)異的導(dǎo)電性能和凝膠獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性能，具有大的比表面積和高的比電容。因此，將導(dǎo)電聚合物凝膠化后制備的復(fù)合材料作為柔性超級(jí)電容器電極材料，能夠顯著地提高電極的電化學(xué)性能和機(jī)械性能。金屬化合物凝膠復(fù)合材料Metalcompoundgelcomposites過(guò)渡金屬化合物具有優(yōu)異的贗電容特性、化學(xué)穩(wěn)定性、以及簡(jiǎn)單的合成工藝，被廣泛用作贗電容超級(jí)電容器的電極材料。但是，由于贗電容超級(jí)電容器的儲(chǔ)能過(guò)程涉及到了電極材料中可逆離子的摻雜與去摻雜，因此贗電容電極在充電、放電循環(huán)期間往往會(huì)發(fā)生膨脹，從而導(dǎo)致贗電容超級(jí)電容器的循環(huán)性能下降。在此情況下，可通過(guò)將凝膠與過(guò)渡金屬化合物相結(jié)合，構(gòu)建3D多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)提高電極材料的比表面積，增大電極材料與電解液的接觸面積和浸潤(rùn)程度，提高了電極材料的電化學(xué)活性。同時(shí)，納米3D多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還有助于縮短離子和電子的傳輸路徑和釋放循環(huán)應(yīng)力，以提高超級(jí)電容器的穩(wěn)定性。碳納米管凝膠復(fù)合材料Carbonnanotubegelcomposites碳納米管（簡(jiǎn)稱CNT）具有很高的孔隙率和電子傳導(dǎo)性，在充放電過(guò)程中能夠促進(jìn)離子擴(kuò)散和電荷轉(zhuǎn)移，所以被廣泛地用作超級(jí)電容器的電極材料。然而，在實(shí)際應(yīng)用上碳納米管的加工過(guò)程可能受到嚴(yán)重的限制。例如，均勻分散的CNT在一個(gè)特定的溶劑中形成CNT凝膠是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。其他凝膠復(fù)合材料Othergelcompositesn通過(guò)在凝膠復(fù)合材料中引入氮、硫、氟等其他雜原子進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，也可以提供良好的贗電容特性。N原子不僅能夠提高石墨烯表面的活性位點(diǎn)，還能促進(jìn)電荷遷移。相較于N原子，S原子具有更小的電負(fù)性，然而S原子半徑大于N原子，故而在石墨烯中摻雜S能夠增大石墨烯的層間距。同時(shí)摻雜N、S能夠有效地結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，大大提高凝膠材料的電化學(xué)性能。結(jié)語(yǔ)

凝膠復(fù)合材料結(jié)合了摻雜材料的電化學(xué)性能和凝膠獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性能，能夠有效抑制納米材料的堆疊與團(tuán)聚，作為電極時(shí)展現(xiàn)了良好的電化學(xué)性能和力學(xué)性能。對(duì)于雙電層超級(jí)電容器而言，凝膠內(nèi)部高度連續(xù)的孔隙結(jié)構(gòu)為離子和質(zhì)子的快速轉(zhuǎn)移提供了有利條件。超大的比表面積能夠負(fù)載具有高孔隙率和電子傳導(dǎo)性的碳納米材料，提高復(fù)合材料的整體性能。隨著電子設(shè)備的不斷小型化和便攜化，對(duì)靈活、高性能的能源存儲(chǔ)需求不斷增加。柔性固態(tài)超級(jí)電容器應(yīng)運(yùn)而生，不僅解決了傳統(tǒng)電池的剛性和重量問(wèn)題，還在