超级电容器作为一种新型的能源存储器件在未来可穿戴电子领域具有举足轻重的作用。商业化的超级电容器具有高的能量密度来驱动可穿戴器件，但可燃性和腐蚀性有机电解液的添加极大地限制了其在可穿戴领域的应用。虽然基于水系的超级电容器具备优异的安全性和柔性，但其能量密度低下（0.01 ~ 0.1 mWh cm^-2）。驱动普通的可穿戴器件往往需要集成大面积的水系超级电容器（100 ~ 1000 cm^-2），这严重阻碍了其广泛使用。因此，制备兼有较高安全性和超高能量密度的柔性超级电容器在可穿戴领域仍是一个巨大的挑战。

近年来，可穿戴超级电容器的研究大多局限于薄膜电极（厚度低于10 µm），因为在仅考虑电极材料的质量和体积条件下，薄膜电极所构建的超级电容器能展现出优异的柔性和较高的电化学储能性质。但从整体器件角度出发，这类器件的能量密度却十分低下。提高活性物质的负载量是提高器件能量密度的重要措施，但活性物质的增加会在一定程度上降低电极的导电性、离子传输性和柔性。因此，设计合理的电极结构和新颖的电极制备策略，对实现高负载电极的优秀电化学储能性能和柔性具有重要的意义。

近日，香港理工大学郑子剑教授（点击查看介绍）领导的课题组成功发展了一种可规模化制备超高电化学储能性能的柔性电极策略，即“Soft hybrid scaffold (SHS) strategy”。SHS策略采用混合抽滤自组装的方法，以二维（2D）多孔还原氧化石墨烯（rHGO）和一维（1D）赝电容材料（CNT@MnO₂或CNT@FeOOH）为浆料，成功制备了厚度约为400 µm，具有高导电性和面容量（6.0 F cm^-2）的三维多孔柔性电极。2D rHGO和1D CNT交连构成的三维网状结构使电极具备较高的导电性和优异的机械稳定性，多级孔结构的引入为离子传输提供了畅通无阻的通道。此外，赝电容材料的加入也大大拓展了器件的窗口电压，进一步提升了器件的能量密度。

基于此类电极结构的超级电容器（SHS@SCs）展现出超高的能量密度（11.3 Wh kg^-1, 1.05 mWh cm^-2, 9.93 Wh L^-1），该能量密度远高于薄膜电极构建的超级电容器，且已达到商业化超级电容器和水系电池的水准。另外，该器件还表现出优秀的柔韧性，可剪裁性和防水防火性，在反复弯折、剪裁、浸水和火烧等极端情况下，仍可以保持较好的电化学稳定性和安全性。值得注意的是，SHS策略具有“选材广泛”和“可规模化制备”的特点，该方法适用于构建任何具有相似特性的高载量电极，并有望实现其大规模商业化制备。

上述研究工作发表在Advanced Materials 上，通讯作者为郑子剑教授。

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Soft Hybrid Scaffold (SHS) Strategy for Realization of Ultrahigh Energy Density of Wearable Aqueous Supercapacitors

Jian Shang, Qiyao Huang, Lei Wang, Yu Yang, Peng Li, Zijian Zheng*

Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201907088

导师介绍

郑子剑

https://www.x-mol.com/university/faculty/49963