柔性超級電容器凝膠材料

近年來，隨著社會的快速發(fā)展，化石能源快速消耗，以及伴隨著的環(huán)境污染日益嚴重，所以人類迫切需要可替代的新型清潔再生能源。電化學儲能設備的發(fā)展被認為是最實用和最有效的選擇之一。超級電容器以其具有高的功率密度，快速充放電速率和長的循環(huán)壽命被認為是一種重要的儲能設備，受到廣泛的關注。傳統(tǒng)的超級電容器在受到損傷，發(fā)生機械變形后，容易出現(xiàn)液體泄漏、化學腐蝕等安全問題。這些可能對設備的功能造成不可逆的損害，使可穿戴電子設備的實際應用成為難點。柔性固態(tài)超級電容器以其優(yōu)異的安全性和顯著的柔韌性成為當前十分具有前景的能量儲存和能源供應設備。近些年來，諸多研究人員采用各種方法制備了不同形貌與結構的凝膠復合材料，并將其作為柔性固態(tài)超級電容器的電極或電解液材料。由于凝膠獨特的結構特性使超級電容器具有超強的韌性，發(fā)展可拉伸的便攜式新型超級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展。凝膠材料的分類導電聚合物凝膠復合材料Conductivepolymergelcomposites比電容高、價格低廉且易制備的聚苯胺（簡稱PANI）是超級電容器電極使用最廣泛的材料之一。然而，相對較差的循環(huán)壽命和電化學穩(wěn)定性限制了它的實際應用。相比之下，對于一些碳基材料，如活性炭（簡稱AC）、多孔碳（簡稱MC）、碳納米管（簡稱CNT），雖然穩(wěn)定性好，但是受限于活性表面，電容值相對較低。聚合物凝膠復合材料結合了聚合物優(yōu)異的導電性能和凝膠獨特的結構性能，具有大的比表面積和高的比電容。因此，將導電聚合物凝膠化后制備的復合材料作為柔性超級電容器電極材料，能夠顯著地提高電極的電化學性能和機械性能。金屬化合物凝膠復合材料Metalcompoundgelcomposites過渡金屬化合物具有優(yōu)異的贗電容特性、化學穩(wěn)定性、以及簡單的合成工藝，被廣泛用作贗電容超級電容器的電極材料。但是，由于贗電容超級電容器的儲能過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)期間往往會發(fā)生膨脹，從而導致贗電容超級電容器的循環(huán)性能下降。在此情況下，可通過將凝膠與過渡金屬化合物相結合，構建3D多孔網(wǎng)絡結構來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程度，提高了電極材料的電化學活性。同時，納米3D多孔網(wǎng)絡結構還有助于縮短離子和電子的傳輸路徑和釋放循環(huán)應力，以提高超級電容器的穩(wěn)定性。碳納米管凝膠復合材料Carbonnanotubegelcomposites碳納米管（簡稱CNT）具有很高的孔隙率和電子傳導性，在充放電過程中能夠促進離子擴散和電荷轉移，所以被廣泛地用作超級電容器的電極材料。然而，在實際應用上碳納米管的加工過程可能受到嚴重的限制。例如，均勻分散的CNT在一個特定的溶劑中形成CNT凝膠是一個極具挑戰(zhàn)性的任務。其他凝膠復合材料Othergelcompositesn通過在凝膠復合材料中引入氮、硫、氟等其他雜原子進行氧化還原反應，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，還能促進電荷遷移。相較于N原子，S原子具有更小的電負性，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。同時摻雜N、S能夠有效地結合兩者的優(yōu)點，大大提高凝膠材料的電化學性能。結語

凝膠復合材料結合了摻雜材料的電化學性能和凝膠獨特的結構性能，能夠有效抑制納米材料的堆疊與團聚，作為電極時展現(xiàn)了良好的電化學性能和力學性能。對于雙電層超級電容器而言，凝膠內部高度連續(xù)的孔隙結構為離子和質子的快速轉移提供了有利條件。超大的比表面積能夠負載具有高孔隙率和電子傳導性的碳納米材料，提高復合材料的整體性能。隨著電子設備的不斷小型化和便攜化，對靈活、高性能的能源存儲需求不斷增加。柔性固態(tài)超級電容器應運而生，不僅解決了傳統(tǒng)電池的剛性和重量問題，還在