[00122343]细菌纤维素基全固态柔性超级电容器的研究

1 课题来源与背景 全固态柔性超级电容器在便携式、可穿戴电子设备方面有广泛的应用。细菌纤维素是一种具有优异理化性能的纳米级纤维素,可作为柔性电极基板材料。近年来,研究者尝试利用细菌纤维素与活性材料（炭材料、导电聚合物、金属氧化物等）复合,制备细菌纤维素基复合电极来提高彼此的电化学性能,但研究多集中于复合材料的制备和电化学性能表征,在细菌纤维素微观结构对电极性能的影响以及复合材料使用性能的研究方面几乎空白。 2 研究目的与意义 本项目通过对细菌纤维素微观结构和复合材料电容性能的关系做定性定量分析,揭示细菌纤维素微观结构对细菌纤维素复合膜材料电化学性能的影响规律,形成制备高体积容量的细菌纤维素复合电极材料的关键技术。此外,组装基于细菌纤维素的全固态超级电容器,优化出最佳的电容器组装工艺,使其满足柔性器件的基本使用性能,即在弯曲、折叠和拉伸过程中器件的形态和性能均不发生大的改变。 3 主要论点与论据 通过本项目的研究工作,获得具有高体积比电容、长寿命的细菌纤维素复合电极材料,并形成关键技术;从微观层面揭示细菌纤维素与复合材料之间电容性能的协同效应和增强机制;优选出最佳的电容器组装工艺。 4 创见与创新 （1）探索化学改性细菌纤维结构变化对材料电化学性能的影响; （2）制备结构独特、比容量高的细菌纤维素基全固态柔性超级电容器。 直接选用细菌纤维素溶胀膜为基材,以单壁碳纳米管和聚苯胺作为集流体和活性物质,制备一种高性能电极和隔膜集成的自支撑材料,并采用细菌纤维素作为隔膜材料,其扮演了柔性基底和隔膜的双重角色,解决了传统三明治结构多个界面接触的问题。 5 社会经济效益,存在的问题 纳米纤维素纤维是一种从天然纤维素中提取出来的纳米级生物质高分子材料,是最具发展潜力的一种纺织新材料。细菌纤维素的制备克服了纳米纤维制备过程复杂、生产成本高等难题,已经实现了规模化的生产,开启了纤维素基纳米材料应用的新领域。基于目前的研究,细菌纤维素可以作为柔性基底制备电极材料,还可以用作隔膜,因此,基于细菌纤维素基材完全可以实现全细菌纤维素储能器件的一体化设计。此外,商业用的细菌纤维素溶胀膜具有不同的厚度,在细菌纤维素强吸水、多孔和高柔性特征的基础上,可以实现“电极-凝胶电解质-电极”结构一体化储能器件的设计。这将会是未来开发具有环境友好型、生物相容性和可降解的能源器件的一个重要研究方向。