柔性超级电容器凝胶材料

近年来，随着社会的快速发展，化石能源快速消耗，以及伴随着的环境污染日益严重，所以人类迫切需要可替代的新型清洁再生能源。电化学储能设备的发展被认为是最实用和最有效的选择之一。超级电容器以其具有高的功率密度，快速充放电速率和长的循环寿命被认为是一种重要的储能设备，受到广泛的关注。传统的超级电容器在受到损伤，发生机械变形后，容易出现液体泄漏、化学腐蚀等安全问题。这些可能对设备的功能造成不可逆的损害，使可穿戴电子设备的实际应用成为难点。柔性固态超级电容器以其优异的安全性和显著的柔韧性成为当前十分具有前景的能量储存和能源供应设备。近些年来，诸多研究人员采用各种方法制备了不同形貌与结构的凝胶复合材料，并将其作为柔性固态超级电容器的电极或电解液材料。由于凝胶独特的结构特性使超级电容器具有超强的韧性，发展可拉伸的便携式新型超级电容器就有了良好的研究思路。

因此，欲介绍各种凝胶材料的研究进展。凝胶材料的分类导电聚合物凝胶复合材料Conductivepolymergelcomposites比电容高、价格低廉且易制备的聚苯胺（简称PANI）是超级电容器电极使用最广泛的材料之一。然而，相对较差的循环寿命和电化学稳定性限制了它的实际应用。相比之下，对于一些碳基材料，如活性炭（简称AC）、多孔碳（简称MC）、碳纳米管（简称CNT），虽然稳定性好，但是受限于活性表面，电容值相对较低。聚合物凝胶复合材料结合了聚合物优异的导电性能和凝胶独特的结构性能，具有大的比表面积和高的比电容。因此，将导电聚合物凝胶化后制备的复合材料作为柔性超级电容器电极材料，能够显著地提高电极的电化学性能和机械性能。金属化合物凝胶复合材料Metalcompoundgelcomposites过渡金属化合物具有优异的赝电容特性、化学稳定性、以及简单的合成工艺，被广泛用作赝电容超级电容器的电极材料。但是，由于赝电容超级电容器的储能过程涉及到了电极材料中可逆离子的掺杂与去掺杂，因此赝电容电极在充电、放电循环期间往往会发生膨胀，从而导致赝电容超级电容器的循环性能下降。在此情况下，可通过将凝胶与过渡金属化合物相结合，构建3D多孔网络结构来提高电极材料的比表面积，增大电极材料与电解液的接触面积和浸润程度，提高了电极材料的电化学活性。同时，纳米3D多孔网络结构还有助于缩短离子和电子的传输路径和释放循环应力，以提高超级电容器的稳定性。碳纳米管凝胶复合材料Carbonnanotubegelcomposites碳纳米管（简称CNT）具有很高的孔隙率和电子传导性，在充放电过程中能够促进离子扩散和电荷转移，所以被广泛地用作超级电容器的电极材料。然而，在实际应用上碳纳米管的加工过程可能受到严重的限制。例如，均匀分散的CNT在一个特定的溶剂中形成CNT凝胶是一个极具挑战性的任务。其他凝胶复合材料Othergelcompositesn通过在凝胶复合材料中引入氮、硫、氟等其他杂原子进行氧化还原反应，也可以提供良好的赝电容特性。N原子不仅能够提高石墨烯表面的活性位点，还能促进电荷迁移。相较于N原子，S原子具有更小的电负性，然而S原子半径大于N原子，故而在石墨烯中掺杂S能够增大石墨烯的层间距。同时掺杂N、S能够有效地结合两者的优点，大大提高凝胶材料的电化学性能。结语

凝胶复合材料结合了掺杂材料的电化学性能和凝胶独特的结构性能，能够有效抑制纳米材料的堆叠与团聚，作为电极时展现了良好的电化学性能和力学性能。对于双电层超级电容器而言，凝胶内部高度连续的孔隙结构为离子和质子的快速转移提供了有利条件。超大的比表面积能够负载具有高孔隙率和电子传导性的碳纳米材料，提高复合材料的整体性能。随着电子设备的不断小型化和便携化，对灵活、高性能的能源存储需求不断增加。柔性固态超级电容器应运而生，不仅解决了传统电池的刚性和重量问题，还在