基于碳纖維布的系列可穿戴柔性超級電容器

作品名稱：基于碳纖維布的系列可穿戴柔性超級電容器大類：科技發(fā)明制作B類小類：能源化工簡介：目前市場上沒有一款真正的柔性儲(chǔ)能器件，因此我們設(shè)計(jì)了一系列基于碳布的柔性超級電容器。本作品選用商用高導(dǎo)電性活性碳纖維布作為基底材料，通過電化學(xué)活化和化學(xué)氣相沉積法等物理化學(xué)方法提高碳布電化學(xué)性能，或復(fù)合電化學(xué)活性材料作為柔性超級電容器的電極材料，再使用凝膠電解質(zhì)組裝成柔性全固態(tài)儲(chǔ)能器件。該系列儲(chǔ)能器件均具有優(yōu)異的機(jī)械柔韌性，倍率性能高，循環(huán)性能優(yōu)越，并各有特色，適用于不同的場合。詳細(xì)介紹：柔性電池，首先要考慮的便是電池電極的柔性。我們參考試驗(yàn)了幾十種材料，通過反復(fù)測試，發(fā)現(xiàn)碳布具有極好的柔性，較高的機(jī)械強(qiáng)度，良好的導(dǎo)電性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。但是，碳布的表面較為光滑，比表面積小，雙電層容量小，直接作為電極并不是一個(gè)理想的選擇，但卻非常適合作為柔性電極的集流體，用于負(fù)載高容量的電極材料。我們嘗試在碳布纖維上復(fù)合各種不同的活性材料，經(jīng)過了數(shù)年的課外研究，研發(fā)設(shè)計(jì)了一系列基于碳布的的柔性全固態(tài)儲(chǔ)能器件，具體為活化碳布組裝的超級電容器（S1）、納米鎳顆粒/多壁碳納米管對稱型贗電容超級電容器（S2）和金屬氧化物膜/多壁碳納米管非對稱型全贗電容超級電容器（S3）。該系列儲(chǔ)能器件均具有優(yōu)異的機(jī)械柔韌性，倍率性能高，循環(huán)性優(yōu)越，并各有特色，適用于不同的場合。器件S1利用氧化還原反應(yīng)的原理對碳纖維布的表面進(jìn)行活化，提高碳材料比表面積，增大電極容量。由于現(xiàn)有報(bào)道的活化方法過于復(fù)雜，不利于工業(yè)化制備，經(jīng)過反復(fù)嘗試，我們發(fā)現(xiàn)在氧化性的酸中進(jìn)行電化學(xué)極化可以簡單便捷地在碳布表面形成含氧官能團(tuán)，而后通過高溫煅燒還原提高其導(dǎo)電性，增大碳布的電化學(xué)容量。將碳布作為柔性超級電容器電極，使用凝膠電解質(zhì)組裝成柔性全固態(tài)超級電容器。器件S1通過簡單的電化學(xué)極化和高溫煅燒方法，在碳布纖維表面直接構(gòu)建三維多孔碳結(jié)構(gòu)，使碳布纖維表面粗糙，提高碳纖維布的比表面積，增大其作為超級電容器電極的雙電層容量，同時(shí)保留高的電導(dǎo)率。由此電極組裝而成的全固態(tài)超級電容器比容量較高，能快速充放電，并且具有優(yōu)異的倍率性能及循環(huán)性能。相對于現(xiàn)有技術(shù)，該電極制作工藝簡單，成本低廉，安全無污染，可大產(chǎn)量、大范圍工業(yè)化量產(chǎn)，因此具有一定的推廣價(jià)值。器件S1的科學(xué)性在于：（1）用電化學(xué)氧化還原方法，在硫酸中使光滑的碳布表面形成含氧官能團(tuán)，碳布纖維表面變粗糙。通過高溫煅燒，除去含氧官能團(tuán)增加碳布纖維碳化程度，恢復(fù)碳布纖維電導(dǎo)率?；罨蟮奶疾急堵市阅軆?yōu)越，能實(shí)現(xiàn)快速充放電。（2）活化碳布通過在電化學(xué)極化、高溫煅燒還原后制得。通過這樣簡單的活化方法使纖維表面變粗糙，但并未改變碳布整體結(jié)構(gòu)。纖維表面分布有大量直徑為10-30納米的碳顆粒，構(gòu)成多孔立體碳結(jié)構(gòu)，其中的孔隙直徑為50-100納米。上述纖維表面的變化增大了活性材料的負(fù)載量，同時(shí)還能保證足夠的空隙使電解液與活性材料充分接觸，從而極大提高了面積比容量。（3）柔性活化碳布超級電容器具有不區(qū)分正負(fù)極，可以正、反向充放電的功能。（4）柔性活化碳布超級電容器使用中性凝膠電解質(zhì)組裝，具有優(yōu)異的機(jī)械柔韌性，在彎曲情況下不影響正常使用。（5）柔性活化碳布超級電容器正負(fù)極均為活化碳布，使用凝膠電解質(zhì)涂覆壓制而成，制備過程的簡單性、易控性、能耗低、成本低和材料生長環(huán)境的均勻性，對環(huán)境無污染。極易實(shí)現(xiàn)低成本、大批量、大面積、均勻工業(yè)化量產(chǎn)。器件S1的主要技術(shù)參數(shù)1）外形尺寸：（a）重量：40毫克每平方厘米；（b）厚度：0.7毫米；2）面積容量：0.01毫安時(shí)每平方厘米；3）充電時(shí)間：1秒；4）最大放電電流：1毫安每平方厘米；5）工作電壓：1伏；6）內(nèi)阻：1歐；7）使用環(huán)境：（a）環(huán)境溫度：0~100攝氏度；（b）彎曲程度：0~360度；（c）承受壓力：0-70千帕；8）電池壽命：>10000次。器件S1能夠應(yīng)用于各類電子設(shè)備，主要應(yīng)用產(chǎn)品于智能可穿戴設(shè)備。由于本器件的輕薄便攜性，且不存在電解質(zhì)液體泄漏造成的人體危害及環(huán)境污染等問題，將極大滿足智能裝備對于貼身使用的微型應(yīng)急電源的需求。器件S1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：1.制備活化碳布作為柔性超級電容器的電極。將活性碳纖維布置于以稀硫酸為電解質(zhì)的三電極體系中，通過恒電壓極化，碳布表面結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能發(fā)生明顯改變。隨著活化的進(jìn)行，極化電流剛開始急劇變小，說明開始極化時(shí)碳布電極電阻變大，反應(yīng)200秒后，電流趨于穩(wěn)定，說明在此電壓下有效極化過程約為200秒。原因是以正電壓活化時(shí)，碳布在硫酸溶液中被氧化，表面生成含氧官能團(tuán)，增大電極電阻，氧化反應(yīng)結(jié)束。將正電位極化后的碳布繼續(xù)在硫酸中負(fù)電位-2.5伏極化10分鐘，與正電位極化剛好相反，極化電流絕對值隨著時(shí)間增大，說明在負(fù)電位極化過程中，碳布電阻變小。原因是在負(fù)電位碳布部分表面官能團(tuán)得到電子被還原成碳，失去含氧官能團(tuán)后碳布含導(dǎo)電性變好。為了進(jìn)一步改善恒電壓極化后碳布的導(dǎo)電性，將碳布在管式爐中惰性氣體氛圍保護(hù)下，1100攝氏度高溫煅燒30分鐘，完全除去其表面的含氧官能團(tuán)。恒電位極化過程碳布并未對碳布纖維表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯改變，在10000倍放大倍率下，正、負(fù)電位極化后的碳布纖維表面與未處理碳布纖維表面沒有明顯區(qū)別。但是1100攝氏度高溫煅燒處理后的碳布纖維表面發(fā)生明顯的變化，碳布纖維表面變得非常粗糙，表面凹凸不平，分布有大量直徑為10-30納米的碳顆粒，構(gòu)成多孔立體碳結(jié)構(gòu)，孔隙直徑為50-100納米。這種多空的表面結(jié)構(gòu)能夠極大地增加電極的比表面積，方便電解質(zhì)進(jìn)入碳布纖維內(nèi)部，產(chǎn)生更多雙電層電容。對處理后的碳布電極在三電極提下測試其電化學(xué)性能，將活性碳纖維布作為工作電極，Pt作為對電極，甘汞電極（SCE）為參比電極，電解質(zhì)均為1摩爾每升的LiCl水溶液，分別測試不同碳布的電化學(xué)性能。未處理碳布和正電位極化碳布的CV曲線面積均很小，原因是未活碳布表面積太小，而正電位極化后的碳布表面被氧化后電阻太大，均表現(xiàn)出極小的雙電層容量。在負(fù)電位極化還原后，碳布的容量增大，能夠看到出現(xiàn)明顯的一對法拉第反應(yīng)峰，這是應(yīng)為碳布在負(fù)電壓還原后導(dǎo)電性變好，氧化官能團(tuán)的存在產(chǎn)生了贗電容容量。而在高溫煅燒后，這些氧化還原峰消失，碳布CV曲線變得非常矩形，具有完美的電容性能，但是CV曲線的積分面積變小。這是因?yàn)榛罨^程增大了活性材料的負(fù)載量，同時(shí)還能保證足夠的空隙使電解液與活性材料充分接觸，極大提高了面積比容量，但高位煅燒除去氧化官能團(tuán)后，沒有氧化還原贗電容發(fā)生，但導(dǎo)電性變好后，碳布的具有非常好的倍率性能。2.將兩個(gè)相同的活化碳布使用LiCl/PVA凝膠電解質(zhì)組裝成全固態(tài)柔性超級電容器。將兩片高溫煅燒處理后的碳布做為正負(fù)極，使用氯化鋰/聚乙烯醇凝膠電解質(zhì)組裝成固態(tài)柔性超級電容器。使用電化學(xué)工作站測試組裝成的全固態(tài)柔性超級電容器電化學(xué)性能，超級電容器的CV曲線均為非常好的矩形，在高達(dá)500毫伏每秒的掃描速率時(shí)仍能保持良好的矩形，具有非常好的倍率性能。由于極化過程未破壞碳布的整體結(jié)構(gòu)影響電極的柔韌性，僅在碳布纖維的表面構(gòu)筑三維多空結(jié)構(gòu)增大電極比表面積，且超級電容器采用固態(tài)電解質(zhì)組裝，因此，超級電容器具有非常好的柔韌性，能夠彎曲折疊，綜上所述，我們通過簡單的電化學(xué)極化和高溫煅燒法在不改變碳布纖維的整體結(jié)構(gòu)的前提下，在其表面直接構(gòu)建三維多孔碳結(jié)構(gòu)，提高碳纖維布的比表面積，增大其作為超級電容器電極的雙電層容量，也保持了碳布原有的導(dǎo)電性，利于工業(yè)化大批量生產(chǎn)。由此活化碳布制成的超級電容器具有不區(qū)分正負(fù)極，可以正、反向充放電的功能。由于此柔性超級電容器使用了中性凝膠電解質(zhì)來組裝，因此其具有優(yōu)異的機(jī)械柔韌性，在彎曲情況下不影響正常使用。對于器件S2，碳納米管是一種比表面積大、導(dǎo)電性好、韌性好的電極材料。在碳布上生長碳納米管后不僅不會(huì)影響碳布的柔性，而且還會(huì)提高其容量。所以我們選用一步合成的納米鎳顆粒/多壁碳納米管作為超級電容器的正負(fù)極。器件S2的正、負(fù)極均由生長在導(dǎo)電碳布上的納米鎳顆粒/多壁碳納米管三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)薄膜組成，納米鎳顆粒和多壁碳納米管原位結(jié)合，電極整體電子遷移率高，具有優(yōu)良的倍率性能；贗電容超級電容器具有對稱結(jié)構(gòu)，能夠不區(qū)分極性正反方向充放電；具有優(yōu)良的機(jī)械柔韌性。器件S2的科學(xué)性：（1）導(dǎo)電碳布作為生長碳納米管立體網(wǎng)狀集流體的載體，支撐起導(dǎo)電性強(qiáng)的三維空間結(jié)構(gòu)，同時(shí)其在電化學(xué)過程中的化學(xué)穩(wěn)定性保障了電極工作的穩(wěn)定性。稠密網(wǎng)狀多壁碳納米管生長在碳布上，提高了碳布空間利用率，增大了活性材料的負(fù)載量，同時(shí)還能保證足夠的空隙使電解液與活性材料充分接觸，極大提高了面積比容量。（2）納米鎳顆粒為生長多壁碳納米管的催化劑殘留，具有嵌入式結(jié)構(gòu)，與多壁碳納米管之間具有很強(qiáng)的結(jié)合力，整個(gè)電極具有優(yōu)良的電子和離子遷移效率，與傳統(tǒng)電極包覆結(jié)構(gòu)相比，倍率性能能優(yōu)越，能實(shí)現(xiàn)快速充放電。（3）正負(fù)極均為高性能的納米鎳顆粒/多壁碳納米管材料，形成非對稱贗電容器結(jié)構(gòu)，納米尺度納米鎳顆粒能通過贗電容反應(yīng)，提供更多的電荷存儲(chǔ)和釋放容量，和傳統(tǒng)碳基超級電容器相比能提供更大的贗電容比容量。（4）一步合成的納米鎳顆粒/多壁碳納米管復(fù)合材料既能利用嵌入其中的高活性鎳顆粒在正電壓區(qū)間的法拉第贗電容，又可以利用碳納米管在負(fù)區(qū)間的雙電層電容，而且兩者的容量相當(dāng)。（5）使用納米鎳顆粒/多壁碳納米管復(fù)合材料分別作為正電極和負(fù)電極組裝的對稱型贗電容超級電容器具有不區(qū)分正負(fù)極，可以正向和反向充放電的功能。（6）柔性對稱型贗電容超級電容器使用堿性凝膠電解質(zhì)組裝，具有優(yōu)異的機(jī)械柔韌性，在彎曲情況是不影響正常使用。器件S2的主要技術(shù)參數(shù):1）外形尺寸：（a）重量：45毫克每平方厘米；（b）厚度：0.7毫米；2）面積容量：0.1毫安時(shí)每平方厘米；3）最大放電電流：50毫安每平方厘米；4）充電時(shí)間：10秒；5）工作電壓：1.8伏；6）內(nèi)阻：3歐；7）使用環(huán)境：（a）環(huán)境溫度：0~100攝氏度；（b）彎曲程度：0~360度；7）電池壽命：>10000次。該對稱型超級電容器能夠應(yīng)用于形態(tài)各異的智能可穿戴設(shè)備，主要包括智能眼鏡、智能手表、意念控制、健康穿戴、體感控制、物品追蹤等。功能分布在娛樂休閑以及健身、醫(yī)療健康領(lǐng)域。由于本作品的輕薄便攜性、安全穩(wěn)定性、能夠在部分損壞、水中、高溫、高壓下依然安全穩(wěn)定地工作、且不存在電解質(zhì)液體泄漏造成的人體危害及環(huán)境污染等優(yōu)勢能應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。且該超級電容器不需區(qū)分正負(fù)極，所以充電意外反接時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)短路、爆炸、電解液泄漏、影響工作儀器正常運(yùn)行等問題，應(yīng)用范圍更為廣泛。器件S2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析：1.一種碳布基底上網(wǎng)狀多壁碳納米管的制備：通過化學(xué)氣相沉積法（CVD），使用乙醇與乙二醇的混合溶液作為碳源，鎳作為催化劑在碳布纖維表面生長多壁碳納米管，作為超級電容器的電極。由生長碳納米管后的碳布的光學(xué)照片，能明顯觀察到生長多壁碳納米管后，碳布仍具有良好的柔韌性。生長碳納米管后，碳布表面顏色有明顯變化，失去光澤且黑色加深，碳纖維對光的吸收增強(qiáng)，說明碳布表面形貌已發(fā)生變化。在場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察生長碳納米管后的碳布微觀形貌，對比未做處理的碳布和生長碳納米管后的碳布SEM圖，可明顯觀察到未做處理的碳布表面是光滑的，單根碳纖維直徑約為10微米，而生長碳納米管后，每根碳纖維的表面覆蓋有一層均勻茂密的碳納米管三維網(wǎng)狀薄膜結(jié)構(gòu)，能夠極大地增大碳布的比表面積。CVD生長的碳納米管高度卷曲，相互纏繞成網(wǎng)狀，結(jié)構(gòu)相對松散，蓬松的結(jié)構(gòu)有利于電解質(zhì)的滲透。為了進(jìn)一步了解碳納米管的微觀結(jié)構(gòu)，在透射電子顯微鏡（TEM）下觀察單根碳納米管的結(jié)構(gòu)。TEM照片表明CVD生長的碳納米管為中空的多壁碳納米管，多壁碳納米管外徑約為25納米，作為催化劑的鎳納米顆粒嵌入在管中；碳納米管有很多較小的彎曲，可能是在CVD生長過程中，氣流不太穩(wěn)定導(dǎo)致。在高放大倍率的TEM照片中，可以明顯觀察到高度石墨的碳層，碳原子層間距為0.34納米，管壁石墨層層數(shù)為30層左右。深色顆粒為納米鎳催化劑，嵌入在碳納米管中間。進(jìn)一步分析電極的結(jié)構(gòu)特征，對樣品進(jìn)行X射線衍射測試（XRD），發(fā)現(xiàn)具有明顯的石墨層結(jié)構(gòu)的碳的[002]面的衍射峰和體心立方結(jié)構(gòu)的金屬鎳在[111]、[200]和[222]晶面的三個(gè)衍射峰。三電極超級電容器性能測試：將碳布基底上納米鎳顆粒/多壁碳納米管電極作為工作電極，Pt作為對電極，甘汞電極（SCE）為參比電極，在1摩爾每升的氫氧化鉀（KOH）水溶液為電解液，測試其在正電壓和負(fù)電壓區(qū)間的電化學(xué)性能。由循環(huán)伏安曲線圖可看出：碳布基底上鎳顆粒/多壁碳納米管電極展現(xiàn)出較為矩形的循環(huán)伏安曲線。一對明顯的氧化還原峰對應(yīng)著二價(jià)鎳與三價(jià)鎳之間的可逆反應(yīng)，總化學(xué)反應(yīng)式為：NiOOH+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-。且在高速掃描時(shí)仍能表現(xiàn)出一對明顯的氧化還原峰，說明其具有其具有良好的贗電容特征。由負(fù)電壓區(qū)間的循環(huán)伏安曲線圖可看出：電極展現(xiàn)出非常矩形的循環(huán)伏安曲線，說明其具有良好的雙電層電容特征。為了突出Ni@CNTs復(fù)合電極的優(yōu)勢，將碳布基底上納米鎳顆粒/多壁碳納米管電極作為工作電極，Pt作為對電極，甘汞電極（SCE）為參比電極，在1摩爾每升的硫酸鈉（Na2SO4）溶液中進(jìn)行三電極超級電容器性能測試，并將其與堿性電解質(zhì)中的測試結(jié)果進(jìn)行比較，兩種電解質(zhì)中的電容量相差很大，表明納米鎳顆粒在電極反應(yīng)中貢獻(xiàn)了很大部分的贗電容。在液態(tài)電解質(zhì)中，用相同等大的碳布基底上納米鎳顆粒/多壁碳納米管電極分別做正極和負(fù)極，進(jìn)行兩電極超級電容器性能測試，結(jié)果表明堿性電解質(zhì)中的電容量較中性電解質(zhì)中的增大了兩倍多。2.使用兩片完全相同的碳布基底上納米鎳顆粒/多壁碳納米管電極為正負(fù)極，和凝膠電解質(zhì)組裝成柔性對稱型贗電容超級電容器。進(jìn)行超級電容器性能測試。由循環(huán)伏安曲線圖可看出，隨著掃描速率的大幅變化，氧化還原峰的位置沒有顯著的變化，說明該全贗電容超級電容器能夠保持良好的電容性能。在電流密度分別為5，10，15，20，30，和50毫安每平方厘米情況下恒電流放電時(shí)，其電容分別為0.288，0.286，281，0.272，0.266和0.258法每平方厘米。對其正反方向充放電性能的測試，兩條曲線基本完全重合，表明在不同方向?qū)﹄娙萜鞒潆姾头烹姡湫阅苁菦]有任何變化的。電流密度從5毫安增大為50毫安，其容量仍能保持80%以上，表明其倍率性能優(yōu)越，而且正反方向的性能一樣。各儲(chǔ)能器件基于充放電時(shí)間的能量密度與功率密度之間的關(guān)系，即體積Rogane曲線。將傳統(tǒng)鋰離子電池和雙電層超級電容器的放電時(shí)間作比較。當(dāng)功率密度為0.053瓦每立方厘米時(shí)，該對稱性超級電容器的能量密度為1.39瓦每立方厘米，高于鋰離子電池的最低值。且當(dāng)功率密度達(dá)到0.44瓦每立方厘米時(shí)，該對稱性超級電容器的能量密度高于雙電層超級電容器，達(dá)到0.88瓦每立方厘米。Ni@CNTs//CNTs展現(xiàn)出了比其他對稱型柔性固態(tài)超級電容器更為優(yōu)越的性能。使用兩個(gè)完全相同的Ni//CNTs電極組裝成對稱型超級電容器，充電僅五秒電壓達(dá)3.2伏后，能成功地驅(qū)動(dòng)一個(gè)小型電動(dòng)馬達(dá)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)130轉(zhuǎn)（3伏，0.45瓦）。為了進(jìn)步論證該對稱型超級電容器實(shí)際應(yīng)用背景，將該器件處于各種形變情況下進(jìn)行電化學(xué)測試。由不同彎曲情況下的循環(huán)伏安曲線圖可以看出，處于彎曲狀態(tài)對超級電容器的電容沒有影響。這種機(jī)械穩(wěn)定性能可以歸功于鎳@碳納米管和凝膠電解質(zhì)之間相互滲透的三維結(jié)構(gòu)。更為重要的是，該對稱型展現(xiàn)出了能從正反極充放電的特點(diǎn)，這就意味著沒有必要去區(qū)分該器件的正負(fù)極了。這個(gè)有用的特性歸功于特殊的對稱結(jié)構(gòu)，其正、負(fù)電極結(jié)構(gòu)是對稱的，而工作機(jī)制是非對稱的。這是因?yàn)殡姾纱鎯?chǔ)和釋放過程中，發(fā)揮的作用的材料是不對稱的。通過調(diào)節(jié)硝酸鎳催化劑的濃度，可以控制鎳和碳納米管的質(zhì)量比使其對于單個(gè)電極滿足方程：QNi=QCNTs。由這種電極組裝成的超級電容器，可以任意交換正負(fù)極方向而不影響超級電容器的性能。當(dāng)從正反兩方向充/放電時(shí)，該器件展現(xiàn)出幾乎相同的恒電流充放電曲線。作為該對稱型超級電容器實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)展示，使用電化學(xué)工作站在恒電位極化模式下從正反方向充電五秒后，用導(dǎo)線與一個(gè)為直徑5毫米紅色（1.8伏，20毫安）發(fā)光二極管兩端相連，能驅(qū)動(dòng)紅光二極管持續(xù)發(fā)光5分鐘。對于器件S3，想到納米鎳顆粒在電極正區(qū)間表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，我們決定在電極兩端都采用贗電容材料來增強(qiáng)電極的容量。查閱文獻(xiàn)后我們選用鎳作為電極正區(qū)間的贗電容材料，鐵作為電極負(fù)區(qū)間的贗電容材料，分別通過退火的方法包覆在多壁碳納米管的表面作為正負(fù)電極，將正負(fù)電極區(qū)間匹配，利用固態(tài)電解質(zhì)組裝成金屬氧化物膜/多壁碳納米管非對稱型全贗電容超級電容器（S3）。本器件使用包覆過渡金屬氧化物活性材料（氧化鎳和氧化鐵）的稠密網(wǎng)狀多壁碳納米管作為正負(fù)極，提高導(dǎo)電碳布的空間利用率，且通過過渡金屬氧化物發(fā)生法拉第反應(yīng)，提供更大的贗電容比容量，具有穩(wěn)定的放電電壓，其能量密度與電池相當(dāng)。器件S3的科學(xué)性及先進(jìn)性：（1）納米尺寸的過渡金屬氧化物薄膜附著生長在多壁碳納米管表面，正/負(fù)極均可通過多化合價(jià)的活性物質(zhì)與電解質(zhì)離子快速發(fā)生高度可逆的氧化還原反應(yīng)，提供極高的法拉第贗電容容量。因此，這種正負(fù)極均為贗電容電極的全贗電容電極具有比傳統(tǒng)對稱型碳基超級電容器大得多的比容量和能量密度。（2）過渡金屬氧化物通過沉積/煅燒的方法包覆在填充碳布空間的多壁碳納米管表面，形成納米尺度核殼結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和電學(xué)接觸，且碳納米管和碳布纖維基底相互接觸交聯(lián)提供了良好的電子輸運(yùn)通道，蓬松的結(jié)構(gòu)具有豐富的空隙提供了更多的電解質(zhì)/電極界面和離子輸運(yùn)通道。這種先進(jìn)的電極結(jié)構(gòu)使得電極活性材料能快速完成充電和和放點(diǎn)過程，且不會(huì)對破壞活性材料結(jié)構(gòu)，使全贗電容超級電容器具有高功率密度，優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能。（3）過渡金屬氧化物發(fā)生法拉第反應(yīng)與電極電位相關(guān)，電極充放電曲線有明顯的電壓平臺(tái)，這使得正負(fù)電極均為贗電容的超級電容器在放電是有非常穩(wěn)定的工作電壓。器件S3的主要技術(shù)參數(shù)：1）外形尺寸（a）重量：50毫克每平方厘米；（b）厚度：0.7毫米；2）面積容量：1毫安時(shí)每平方厘米；3）最大放電電流:50毫安每平方厘米；4）充電時(shí)間：1分鐘；5）工作電壓:1.2伏；6）內(nèi)阻：<9歐；7）使用環(huán)境：（a）環(huán)境溫度：0~100攝氏度；（b）彎曲程度：0~360度；8）電池壽命：>1500次。器件S3能夠應(yīng)用于醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)健身、物聯(lián)網(wǎng)乃至軍事等的多個(gè)領(lǐng)域，主要可應(yīng)用于智能可穿戴設(shè)備，如智能手環(huán)、智能手表、智能跑鞋等，在可柔的前提下為智能設(shè)備供電。在醫(yī)療行業(yè)，由于本作品具有電池的特性且可柔便攜，為某些醫(yī)療設(shè)備的供電乃至移動(dòng)便攜性提供了可能，使患者在治療的同時(shí)又能具有一定的自由性，且能實(shí)時(shí)監(jiān)控健康；在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，本作品的優(yōu)異性能將極具市場競爭力，且為遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控提供了可能；在軍事領(lǐng)域，由于本作品能夠在部分損壞、水中、高溫、高壓下依然安全穩(wěn)定地工作，且不存在電解質(zhì)液體泄漏造成的人體危害及環(huán)境污染等問題，將極大滿足特種部隊(duì)對于智能裝備的需求器件S3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析：1.制備集流體碳納米管、碳布：通過鎳催化化學(xué)氣相沉積法在活性碳布纖維表面生長多壁碳納米管膜.在生長了碳納米管后，碳布依然有較好的柔韌性，這來源于碳布本身的柔韌性，以及碳納米管本身的三維空間結(jié)構(gòu)和較好的空間延展性。將樣品做掃描電子顯微鏡觀察，在碳纖維的表面生長有茂密的碳納米管三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，單根碳納米管的直徑為30~40納米，相互交聯(lián)、均勻、密集地分布在碳布空間內(nèi)，呈現(xiàn)三維網(wǎng)狀形式，碳納米管高度卷曲，相互纏繞成網(wǎng)狀，結(jié)構(gòu)相對松散，機(jī)械性能好，比表面積大，電荷傳輸快且有利于電解質(zhì)的滲透。透射電子顯微（TEM）照片揭露了納米管狀結(jié)構(gòu)和石墨層晶格。綜合以上分析，多壁碳納米管呈蓬松多間隙結(jié)構(gòu)填滿碳布空間，與碳布纖維形成雙重立體結(jié)構(gòu)，作為集流體負(fù)載高活性贗電容材料，盡量增大電極空間利用率的同時(shí)具有較好的導(dǎo)電性和空間延展性，保證了電極優(yōu)良電導(dǎo)率和機(jī)械柔韌性。2.制備非對稱型全贗電容超級電容器正負(fù)極：過渡金屬氧化物通過沉積/煅燒的方法包覆在填充碳布空間的多壁碳納米管表面。將正電極樣品做掃描電子顯微鏡觀察，氧化鎳在碳布空間中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增大了比表面積，保證電解質(zhì)與電極的充分接觸，有助于加快反應(yīng)速率，照射多壁碳納米管/導(dǎo)電碳布基底氧化鎳電極的XPS譜圖，結(jié)果表明，鎳元素為2價(jià)，主要峰位與氧化鎳相同。在三電極體系中，以氧化鎳分別作為工作電極，Pt作為對電極，甘汞電極（SCE）為參比電極，在3摩爾每升的氫氧化鈉（NaOH）溶液中進(jìn)行三電極性能測試，在不同掃速下正極的伏安特性曲線，掃描速率分別3，10，20和50毫伏每秒，在不同電流密度下正極的恒電流放電曲線圖，電流密度分別為5，10，15，30，50和100毫安每平方厘米。碳布基底上氧化鎳/多壁碳納米管電極展現(xiàn)出較為矩形的循環(huán)伏安曲線，同時(shí)在高速掃描時(shí)仍能表現(xiàn)出一對明顯的氧化還原峰，說明其具有良好的贗電容特征。制備得到的碳布基底上氧化鎳/多壁碳納米管電極作為超級電容器正極具有較大的比容量和較好的倍率性能。將負(fù)電極樣品做掃描電子顯微鏡觀察，由多壁碳納米管/導(dǎo)電碳布基底氧化鐵電極的微觀形貌圖可以看出，氧化鐵附著生長在多壁碳納米管表面，形成較厚的外壁膜，氧化鐵膜厚度為15~30納米，包覆在多壁碳納米管表面，相互交聯(lián)分布在碳布空間內(nèi)，呈現(xiàn)三維網(wǎng)狀形式。由多壁碳納米管/導(dǎo)電碳布基底氧化鐵電極的XPS譜圖的結(jié)果表明鐵元素為3價(jià)，主要峰位與氧化鐵相同。在三電極體系中，以氧化鐵作為工作電極，Pt作為對電極，甘汞電極（SCE）為參比電極，在3摩爾每升的氫氧化鈉（NaOH）溶液中進(jìn)行三電極性能測試，在不同掃速下負(fù)極的伏安特性曲線，掃描速率分別3，10，20和50毫伏每秒，在不同電流密度下負(fù)極的恒電流放電曲線圖，電流密度分別為5，10，15，30，50和100毫安每平方厘米。碳布基底上氧化鐵/多壁碳納米管電極展現(xiàn)出較為矩形的循環(huán)伏安曲線，同時(shí)在高速掃描時(shí)仍能表現(xiàn)出一對明顯的氧化還原峰，說明其具有良好的贗電容特征。在電流密度分別為5，10，20，50毫安每平方厘米情況下恒電流充放電時(shí)，其電容分別為2.42，1.28，0.85，