Author Affiliations
1Shanghai Collaborative Innovation Center for High Performance fiber composites, Engineering Research Center of Technical Textile, Ministry of Education, College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China2Research Institute for Biomimetics and Soft Matter, College of Physical Science andTechnology, Xiamen University, Xiamen 361005, China3Faculty of Science, National University of Singapore, Singapore 119077, Singaporeshow less
Fig. 1. Schematic illustrations of energy storage mechanisms of (a) electric double-layer capacitor, (b) pseudocapacitor, (c) hybrid capacitor. (d) Structure diagram of supercapacitor.
Fig. 2. Design ideas of stretchable supercapacitor: Elastic polymer, stretchable structure, and elastic polymer + stretchable structure.
Fig. 3. Stretchable electrodes/supercapacitors based on elastic polymer: (a), (b) PDMS
[36,50]; (c) Ecoflex
[52]; (d) PU
[21]; (e) elastic fiber
[55].
Fig. 4. Stretchable supercapacitors based on stretchable structure: (a) Helical structure
[66]; (b) wave structure
[68]; (c) fabric structure
[71]; (d) serpentine structure
[75]; (e)−(g) net structure
[45,76,78].
Fig. 5. Schematic illustrations of stretchable supercapacitors: (a) Fabric structure stretchable supercapacitors; (b) stretchable fabric structure; (c) non-stretchable fabric structure; (d) image of stretchable fabric structure; (e) capacity retention after different numbers of stretch/release cycles under different strains (10%, 20%, and 30%) at a current density of 8 A/g (the inset presents the images of the hybrid supercapacitor device during stretching cycles); (f) schematic of elbow-fitted supercapacitor; images of two supercapacitors connected in series for the illumination of an elbow-fitted LED for (g) stretching and (h) bending. (i) Two devices connected in series for the illumination of a set of 40 LEDs with a parallel "DHU" pattern
[81].
Fig. 6. Comparison of the stretchable supercapacitor with reported supercapacitors with respect to the tensile recovery, stretching cyclic stability, and electrochemical properties, where C0 and C correspond to the specific capacities before and after stretching cycles, respectively.
Fig. 7. Stretchable supercapacitors based on elastic polymer and stretchable structure: (a), (b) Elastic polymer and wave structure
[57,92]; (c) elastic polymer and helical structure
[94]; (d) elastic polymer and fabric structure
[97]; (e) elastic polymer and net structure
[59].
Fig. 8. Multifunction stretchable supercapacitors: (a) Self-powered
[47]; (b) sensing
[73]; (c), (d) transparent
[87,120].
Fig. 9. Multifunction stretchable supercapacitors: (a)−(e) ultrathin
[112]; (f) self-healing
[90].
Fig. 10. (a) Illustration of the preparation of Agar/HPAAm double-net hydrogel; (b) the recovery performance of Agar/HPAAm hydrogel and Agar/PAAm hydrogel under different stretching conditions
[126]; (c) schematic configuration of the intrinsically stretcha-ble supercapacitor using highly stretchable gel electrolyte
[105].
导电处理 | 活性材料 | 沉积方法 | 电容表现 | 极限拉伸率/% | 电容稳定性 | 文献 | PDMS基底材料的可拉伸超级电容器 | 石墨烯 | 石墨烯 | 激光诱发 | 650 μF/cm2@35 μA/cm2 | 50 | 1000次拉伸循环后
保持84%电容
| [35]
| 碳纳米管 | V2O5/PEDOT
| 旋涂 | 135 mF/cm2@0.5 mA/cm2 | 50 | 100次拉伸循环后
保持85%电容
| [36]
| 单壁碳纳米管 | 单壁碳纳米管 | 化学汽相淀积 | 17.5 F/g | 120 | 1000次拉伸循环后
电容没有变化
| [50]
| 单壁碳纳米管 | 单壁碳纳米管/
氮化硼纳米管
| 干压 | 7.7 F/g
@19 μF/cm2 | 50 | 50%应变下1000次
拉伸循环后
电容增加25%
| [51]
| PU基底材料的可拉伸超级电容器 | 聚吡咯 | 聚吡咯 | 化学聚合 | 108.5 F/g@1 A/g | 100 | 100%应变下拉伸1000次后保持90%电容 | [37]
| 氮-碳纳米管 | 氮-碳纳米管 | 化学气相沉积 | 37.6 mF/cm2@0.05 mA/cm2 | 500 | 1000次拉伸后保持96%电容 | [21]
| Ecoflex基底材料的可拉伸超级电容器 | 碳纳米管 | 单壁碳纳米管 | 涂覆 | 15.2 F/cm3@0.021 A/cm3 | 60 | 在0, 20%, 40%应变下, 1000次充放电循环后电容保持97.4%, 95.5%, 94.5% | [52]
| PEDOT:PSS基底材料的可拉伸超级电容器 | 银掺杂 | PEDOT:PSS/碳纳米管 | 浸渍烘干 | 64 mF/cm2 (85.3 F/g)
| 480 | 400%应变下100次拉伸循环后保持90%电容 | [53]
| 多壁碳纳米管 | 多米碳纳米管@聚苯胺 | 电聚合 | 2.2 F/cm3 @1 mA/cm2 | 50 | 50%应变下300次拉伸循环后CV曲线没有明显变化 | [54]
|
|
Table 1. Summary of recent studies on stretchable supercapacitor based on elastic polymer.
利用弹性聚合物为基底制备可拉伸超级电容器的研究概括
导电处理 | 活性材料 | 沉积方法 | 电容表现 | 极限拉伸率/% | 电容稳定性 | 文献 | 螺旋结构设计的可拉伸超级电容器 | 不锈钢弹簧 | 碳纳米管/聚苯胺 | 原位合成 | 277.8 F/g@1 A/g, 402.8 mF/cm @1 mA/cm | 100 | 在100%应变下电容没有
明显降低
| [41]
| 碳纳米管纱线 | 聚吡咯/碳纳米管 | 电沉积 | 63.6 F/g@1 A/g | 150 | — | [42]
| 不锈钢线 | MnO2/还原氧化石墨烯
| 电沉积 | 2.86 mWh/cm3 | 400 | 400%应变下拉伸循环3000次后保持95%电容 | [64]
| 碳纳米管纱线 | 碳纳米管纱线/MnO2/聚吡咯
| 电沉积 | 60.43 mF/cm2, 7.72 F/g, 9.46 F/cm3, 9.86 mF/cm@10 mV/s
| 20 | 20%应变下拉伸循环200次后保持88%电容 | [65]
| 碳纳米管纤维 | 碳纳米管 | 纺丝 | 0.51 mF/cm, 27.07 mF/cm2@150 mA/cm3 | 300 | 拉伸循环300次后保持94%电容 | [66]
| 波浪结构设计的可拉伸超级电容器 | 碳纳米管 | 碳纳米管@MnO2/碳纳米管@聚吡咯
| 电沉积 | 2.2 F/cm3@2 mA/cm2 | 100 | 拉伸循环500次后保持96%电容 | [67]
| 泡沫镍 | 聚苯胺/石墨烯 | 电聚合 | 261 F/g | 30 | 30%应变下拉伸循环100次后保持95%电容 | [68]
| 织物结构设计的可拉伸超级电容器 | 银涂层 | 聚吡咯@MnO2 | 丝网印刷 | 0.0337 mWh/cm2, 95.3 mF/cm2@5 mV/s
| 40 | 40%应变下保持
86.2%电容
| [69]
| 不锈钢网 | 聚吡咯 | 电化学沉积 | 170 F/g@0.5 A/g | 20 | 20%应变下拉伸循环10000次后保持87%电容 | [46]
| 碳纳米管 织物 | 聚吡咯@MnO2 | 电镀 | 461 F/g@0.2 A/g | 21 | 21%应变下保持98.5%电容 | [70]
| 碳纤维 | PEDOT:PSS/碳 | 浸渍涂覆 | — | 100 | 100%应变下拉伸循环6000次后保持70%电容 | [71]
| 导电过滤网 | 聚吡咯@MnO2 | 电沉积 | — | 20 | — | [29]
| 银镀层 | MnO2–碳纳米管/PEDOT:PSS
| 丝网印刷 | 17.5 mWh/cm2@0.4 mW/cm2 | 20 | 20%应变下拉伸循环100次后保持95.26%电容 | [47]
| 单壁碳纳米管 | 单壁碳纳米管 | 浸渍烘干 | 140 F/g, 0.48 F/cm2@20 μA/cm2 | 120 | 拉伸后比电容没有变化 | [72]
| 多壁碳纳米管 | 多壁碳纳米管/MoO3 | 喷涂 | 48.3 F/g@0.14 A/g, 33.8 mF/cm2 @0.1 mA/cm
| 50 | 应变从10%增加到50%,
拉伸循环5000次后
保持80%电容
| [73]
| 蛇形结构设计的可拉伸超级电容器 | 钛/铂 | 聚吡咯-多壁碳纳米管 | 喷涂 | 5.17 mF/cm2@100 μA/cm2 | 30 | 30%应变下双轴拉伸循环1000次后充放电行为没有发生明显变化 | [74]
| 单壁碳纳米管 | 单壁碳纳米管 | 喷涂 | 100 μF@0.5 V/s | 30 | 30%应变下拉伸循环10次后电容没有明显恶化 | [75]
| 网状结构设计的可拉伸超级电容器 | 单壁碳纳米管膜 | 单壁碳纳米管 | 喷涂 | 1.6 F/cm3, 448 nF/cm2 @1 V/s
| 150 | 150%应变下电容保持不变 | [44]
| 碳纳米管膜 | 聚吡咯/黑磷/碳纳米管 | 电沉积 | 7.35 F/cm2@7.8 mA/cm2 | 2000 | 2000%应变下拉伸循环10000次后保持95%电容 | [76]
| 碳纳米管 | 碳纳米管/聚吡咯 | 电沉积 | 69 F/g, 3.5 mF/cm, 74.1 mF/cm2, 9.9 F/cm3 @2 mV/s
| 10 | 5%应变下拉伸循环5000次后有101%动态电容 | [77]
| 碳纳米管膜 | 碳纳米管 | 化学气
相沉积
| 61.4 mF/cm2, 35.7 F/g 16.0 F/cm3@1 mA/cm2 | 16 | 16%应变下拉伸循环3000次后保持93.3%电容 | [45]
| 碳纳米管 | MnO2/碳纳米管
| 水热合成法 | 227.2 mF/cm2 | 500 | 400%应变下拉伸循环10000次后保持98%电容 | [78]
|
|
Table 2. Summary of recent studies on stretchable supercapacitors based on stretchable structure.
通过可拉伸结构设计制备可拉伸超级电容器的研究概括
基底材料 | 结构类型 | 导电处理 | 活性材料 | 沉积方法 | 电容表现 | 拉伸率/% | 电容稳定性 | 文献 | PDMS | 波浪结构 | 多壁碳纳米管 | 多壁碳纳米管/聚苯胺 | 3D打印 | 44.13 mF/cm2@
0.2 mA/cm2 | 40 | 在5%-40%不同应变情况下, 电化学性能几乎没有变化 | [57]
| PDMS | 波浪结构 | 3D-石墨烯 | 3D-石墨烯/聚苯胺 | 原位聚合 | 77.8 Wh/kg
@995 W/kg
| 100 | 100%应变下拉伸循环100次后保持91.2%电容 | [60]
| PDMS | 波浪结构 | 碳纳米管 | 聚苯胺/碳纳米管 | 涂覆 | 308.4 F/g@8 A/g | 100 | 100%应变下拉伸循环200次后电容保持不变 | [82]
| PDMS | 波浪结构 | 单壁碳纳米管/PEDOT 混合纤维 | 单壁碳纳米管/PEDOT | 电沉积 | 53 F/g, 1.6 mF/cm2@1 A/g
| 100 | X和Y两个方向, 100%应变下拉伸循环5000次后保持96.9% 和 90.1%电容 | [83]
| PDMS | 波浪结构 | 碳纳米管膜 | MnO2/碳纳米管, Fe2O3/碳纳米管
| 水热反应 | 45.8 Wh/kg | 100 | 在多种应变下电化学循环10000次后保持98.9%电容 | [62]
| PDMS | 波浪结构 | 不锈钢线 | Ni-Co-S/还原氧化石墨烯 | 电沉积 | 127.2 mF/cm2@0.1 mA/cm
| 100 | 100%应变下拉伸循环1000次后保持91%电容 | [84]
| PDMS | 波浪结构 | 单壁碳纳米管/聚苯胺混合膜 | 单壁碳纳米管/聚苯胺 | 化学气
相沉积
| 106 F/g@1 A/g | 120 | 拉伸循环200次后保持85%电容 | [85]
| PDMS | 网状结构 | 还原氧化
石墨烯
| 还原氧化石墨烯 | 浸渍烘干 | 188 mAh/g
@0.05 A/g
| 50 | 50%应变下拉伸循环100次后保持89%电容 | [86]
| PDMS | 网状结构 | 金-聚甲基丙烯酸甲酯PMMA 纳米纤维网 | MnO2 | 电沉积 | 3.68 mF/cm2@0.007 mA/cm2 | 60 | 60%应变下保持92%电容 | [59]
| PDMS | 网状结构 | 银/金核壳
纳米线
| 聚吡咯 | 电化学沉积 | 580 μF/cm2@5.8 μA/cm2 | 50 | 应变从10%增加到50%, CV曲线几乎没有变化 | [87]
| PDMS | 网状结构 | 泡沫石墨烯 | 聚吡咯/
石墨烯
| 化学气相沉积和化学界面聚合 | 258 mF/cm2@1 mA/cm2 | 50 | 30%应变下充放电循环100次后保持88%电容 | [80]
| PU | 螺旋结构 | 镀银 | 碳纳米管 | 浸渍涂覆 | 4.17 mWh/cm3 | 150 | 重复拉伸变形后电容没有明显下降 | [58]
| PU | 螺旋结构 | 碳纳米管 | 聚吡咯/碳纳米管 | 电沉积 | 69 mF/cm2 | 130 | 应变从0%增加到40%, 拉伸循环1000次后保持85%电容 | [88]
| PU | 螺旋结构 | 纳米碳 | N-石墨烯/3D镍钴铝 | 原位聚合 | 1.1 mWh/cm2@2.59 mW/cm2 | 100 | 50%应变下拉伸循环10000次后保持91%电容 | [89]
| PU | 螺旋结构 | 还原氧化石墨烯纤维 | 聚吡咯/还原氧化石墨烯/多壁碳
纳米管
| | 0.94 mWh/cm3 | 100 | 100%应变下保持82.4%电容 | [90]
| Ecoflex
橡胶芯
| 螺旋结构 | 碳纳米管 | MnO2/PEDOT@碳
纳米管
| 电沉积 | 2.38 mF/cm, 11.88 mF/cm2 | 200 | 在拉伸循环和扭曲循环后电容分别保持92.8%和98.2% | [91]
| Ecoflex | 波浪结构 | 泡沫镍 | 聚苯胺/
石墨烯
| 电沉积 | 261 F/g@0.38 A/g | 30 | 30%应变下拉伸循环100次后保持95%电容 | [68]
| Ecoflex 橡胶 | 波浪结构 | 碳纳米管 | PEDOT/碳纳米管 | 气相聚合 | 82 F/g, 11 mF/cm2@10 mV/s
| 600 | 600%双向拉伸应变下保持94%电容 | [92]
| PEDOT:PSS | 螺旋结构 | PEDOT-S:PSS | PEDOT-S:PSS | 湿法纺丝 | 93.1 mF/cm2@50 μA/cm2 | 400 | 400%应变下保持80%电容 | [93]
| 弹性橡胶
纤维
| 螺旋结构 | 金@碳纳米管 | 聚苯胺/碳纳米管 | 电沉积 | 6 F/cm3@70 A/cm3 | 400 | 应变从0%增加到400%保持96%电容 | [94]
| 弹性纤维 | 螺旋结构 | 碳纳米管纤维 | MnO2@PEDOT:PSS@碳纳米管
| 涂覆和
电沉积
| 278.6 mF/cm2 | 100 | 100%应变下拉伸循环3000次后保持92%电容 | [95]
| 弹性纤维 | 螺旋结构 | 碳纳米管 | 碳纳米管 | 包裹 | 0.515 Wh/kg@
0.05 A/g
| 100 | 75%应变下拉伸循环100次后保持95%电容 | [55]
| 橡胶纤维 | 螺旋结构 | 碳纳米管片 | MnO2/碳纳米管
| 包裹 | 4.8 mF/cm, 22.8 mF/cm2 | 40—800 | 600%应变下保持92.6%电容 | [96]
| 聚合物基底 | 波浪结构 | 石墨烯机织布 | 聚苯胺/
石墨烯
| 原位电沉积 | 17 μF/cm2@0.06 V/s
| 30 | 拉伸循环100次后CV 曲线略有下降(应变速率 60%/s) | [97]
| 橡皮筋 | 波浪结构 | 碳纳米管膜 | 碳纳米管/
聚苯胺
| 电沉积 | 394 F/g@2 mV/s | 100 | 100%应变下拉伸循环100次后保持98%电容 | [79]
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Table 3. Summary of recent studies on stretchable supercapacitors based on elastic polymer + stretchable structure.
弹性聚合物与可拉伸结构结合的复合电极制备可拉伸超级电容器研究概括