南京郵電大學黃維院士/趙強教授《AFM》綜述：柔性透明超級電容器：材料和器件

柔性透明超級電容器（FTSCs）因具有高的光學透光率、持久的機械柔性、優異的電化學效能和易於製備的器件結構等優點，受到科研界和產業界的廣泛關注。因此，系統地對FTSCs的電極材料設計、電極製備和器件結構進行綜述具有重要意義。

基於此，南京郵電大學黃維院士和趙強教授團隊在Advanced Functional Materials期刊以"Flexible Transparent Supercapacitors: Materials and Devices"為題綜述了FTSCs研究領域的最新進展。首先，概述了FTSCs的器件結構、儲能機理、光電性質和機械柔性。然後，討論了電極材料的設計原則，總結了具有優異的光電效能（包括光電性質FoMe和電容性質FoMc）、機械柔性和迴圈穩定性的柔性透明導電電極（FTCEs）的製備策略。接下來，討論了薄膜超級電容器、微型超級電容器、電致變色超級電容器、光超級電容器和電池類電池超級電容器等多功能FTSCs的研究現狀。最後，分析了FTSCs目前所面對的挑戰和未來的發展前景。

圖1 FTSCs的製備及應用的圖形摘要

1. FTSCs的結構、機理和性質

FTSCs可分為薄膜超級電容器（圖2a(i)）和微型超級電容器（圖2a(ii)）兩類，有雙電層電容（EDLC）和贗電容兩種儲能機理。柔性測試主要有彎曲變形（圖2c）和拉伸變形（圖2d）兩種。

圖2 FTSCs的器件結構(a)、儲能機理(b)、機械柔性(c,d)

2. 電極材料

為了製備出具有高透光性、高柔韌性和高電容性的FTCEs，可以將電極材料設計成五種型別：超薄薄膜、一維奈米線交錯薄膜、不規則網路薄膜、有序圖案化薄膜和插指型薄膜。

金屬材料（比如Ag、Au和Ni）具有優異的導電性、光學特性和機械延展性等優點，可直接沉積在柔性透明基底表面製備出金屬基FTCEs（圖3）。但是，在一定電壓下，Ag NWs會發生電離，從而降低電容效能。相比之下，Au具有良好的抗氧化和抗腐蝕的化學穩定性，可直接用作活性材料或導電集流體。Ni網格適合用作活性材料的集流體，它不僅增大了電極材料的活性面積，提高了結構穩定性，而且實現了優異的透光率。

圖3 金屬基FTCEs

金屬氧化物具有較高的理論比電容、豐富的自然資源和環境友好性等優點，成為應用最廣泛的贗電容材料。然而，固有的低導電性和不透明性限制了其在FTSCs中的獨立應用。透過將金屬氧化物沉積在柔性透明集流體表面，可構建出具有優異的光電性質和電容效能的FTCEs。MXene是一種過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物，具有良好的親水性、高導電性和高理論電容，可直接沉積在柔性透明基底上製備出薄膜型FTCEs。在目前的研究中，最常用的是碳化鈦材料。MoS2主要有1T金屬態和2H半導體態兩種晶體結構。與2H-MoS2相比，1T-MoS2因具有較大的層間距、良好的親水性和大的體積容量等特點，在儲能領域受到了更多的關注。透過將1T-MoS2奈米片沉積在導電ITO表面或與Ag NWs網路進行復合可以製備出高效能的FTCEs。碳材料（如石墨烯和碳奈米管）具有良好的電學、光學和機械性質。對應的薄膜型FTCEs具有高的比電容、低的片電阻和較強的機械柔性。同時，有序排列的碳奈米管基FTCEs具有更高的電導率和更好的結構完整性，有望成為具有高功率密度和長迴圈壽命FTSCs的候選材料。過渡金屬氫氧化物（如Ni(OH)2、Co(OH)2和FeOOH）是一類典型的贗電容材料。雖然它們具有高的理論比電容，但是低導電性限制了其直接用作活性材料。目前，製備基於過渡金屬氫氧化物的FTCEs主要有以下兩種方法：1）將金屬氫氧化物奈米片沉積在導電金屬網路上；2）與導電石墨烯材料進行復合（圖4）。

圖4 (a-c) Ag NWs/Ni(OH)2FTCEs. (d-f) Ni(OH)2/graphene FTCEs

與無機導電材料相比，導電聚合物（如PANI、PPy和PEDOT:PSS）具有抗拉強度好、理論比電容高、柔韌性好、重量輕和加工性好等優點。透過將這類材料與柔性透明導電集流體（如Ni網格、Ag NWs和Ag柵格）進行結合，可以形成具有最佳光電效能的FTCEs。MOFs是一類透過金屬離子與有機配體進行配位製備的多孔晶體材料，具有比表面積大、孔徑可調、氧化還原活性位點豐富等優勢。透過將其在柔性透明襯底上整合超薄薄膜，可以成功製備出FTCEs（圖5）。

圖5 基於二維Ni(HITP)2MOFs的FTSCs

3. FTSCs的器件型別

該綜述重點總結了FTSCs的器件構型，包括薄膜超級電容器、微型超級電容器、電致變色超級電容器、光敏超級電容器和類電池超級電容器。薄膜超級電容器分為對稱超級電容器和不對稱超級電容器兩類。柔性透明微型超級電容器可分為兩類：夾層結構和麵內結構，在行動式微電子領域具有廣泛的應用前景。

4. 總結與展望

該綜述系統且全面地總結了FTSCs在電極材料設計、電極製備和器件構型等方面的研究進展。儘管，在實驗室研發階段已經取得了重要進展，但是，在產業應用方面的進展仍比較遲緩。因此，有必要從產業化的角度對通用標準和技術指標進行標準化。例如，FTSCs需要建立一系列的技術標準，包括光電性質測試方法、機械柔性評價標準、比電容效能評價指標等。

文獻連結：

1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202009136