一、基于褶皱Au-CNT-forest的可拉伸电极的制备及表征
图1基于褶皱Au-CNT-forest的可拉伸电极的制备与表征
Au-CNT-forest可拉伸电极的制备过程如图1A所示。碳纳米管垂直阵列采用PECVD方法合成,之后在碳纳米管阵列上沉积一层金,最后转移到柔性基底。金的沉积增加了碳纳米管阵列层的有效厚度和碳纳米管阵列的有效压缩模量,并且Au-CNT-forest可拉伸电极在测量拉伸范围内的电阻明显低于纯CNT-forest电极。其中,电导率提高的原因主要体现在两个方面:(1)金涂层显著降低了碳纳米管松弛过程中单个碳纳米管之间的接触电阻;(2)金涂层将更多独立的碳纳米管连接到碳纳米管网络中,形成更多的导电通路,从而提升导电性。
二、Au-CNT-forest可拉伸电极的电化学性能
图2单向可拉伸CNT-forest电极与Au-CNT-forest电极的电化学性能
作者对Au-CNT-forest可拉伸电极的电化学性能进行了表征。实验结果显示,不同扫速下单向可拉伸Au-CNT-forest电极的循环伏安曲线呈现良好的矩形,表明其优良的电容行为和优异的倍率性能。随着应变增加,纯CNT-forest电极电化学性能逐渐降低。而Au-CNT-forest可拉伸电极在应变增加时,其比电容增大,倍率性能提高。此外,在不同应变条件下,Au-CNT-forest可拉伸电极的充放电性能以及能量密度几乎保持恒定,这对于可拉伸电极应用尤为重要。除了单向可拉伸电极,作者也对双向可拉伸Au-CNT-forest电极电化学行为进行了研究,同样表现出优异的电化学性能。
图3单向可拉伸CNT-forest电极与Au-CNT-Forest 电极的在不同应变下的电化学阻抗谱的变化和对比
作者进一步利用电化学阻抗谱对单向可拉伸CNT-forest电极与Au-CNT-Forest 电极的电化学性能进行了研究。通过联系电极褶皱结构及沉积金层对电极电阻的影响,从电子电阻以及离子电阻两方面解释了两种电极在拉伸应变下阻抗行为呈现完全不同变化趋势的原因。对于Au-CNT-Forest电极,金修饰碳纳米管阵列网络后,电子电阻会显著降低,导致离子电阻在该频率范围内占主导地位。而离子电阻取决于扩散电阻,主要受电极多孔结构的影响。当电极受到大应变时,CNTs之间的距离增加,从而形成更多的多孔结构,使得离子更容易通过,因此,阻抗谱半圆的半径随着施加的应变增加而减小。
三、Au-CNT-forest可拉伸电极的机械稳定性及电化学稳定性
图4 Au-CNT-Forest可拉伸电极的机械稳定性及电化学稳定性
电极的机械和电化学稳定性是可拉伸设备潜在应用的关键因素。研究结果显示, Au-CNT-Forest可拉伸电极在200%单轴应变条件下循环1400次之后,仍保持初始电容值,说明其具有优异的机械稳定性。此外,将电极进行10000次充放电循环之后,电极性能仍能保持97.6%。Au-CNT-Forest 可拉伸电极良好的机械稳定性和电化学稳定性使得其用于可拉伸电容器具有较大的应用前景。
四、Au-CNT-forest可拉伸超级电容器性能