基于喷墨打印技术研发导电聚合物柔性集成储能器件

The rapid development of wearable electronic devices has stimulated the research on high performance flexible integrated energy storage devices. Inkjet printing is often used to realize the integration of flexible micro-supercapacitors. However, there are still some problems such as limited types of effective ink materials and low capacity of most ink materials. Therefore, the preparation of high performance ink materials suitable for inkjet printing technology is still a great challenge. This project aims to realize the rapid graphical preparation of polyaniline, polypyrrole and other conductive polymers based on the two-nozzle step-by-step inkjet printing technology, and complete the optimized synthesis of ink materials in the printing process; The applicant will use hybrid molecules with flexible chain segments to achieve in-situ doping and modification of the conductive polymer, and achieve a good integration of the semi-crystalline and disorder of the conductive polymer, so as to improve the electrical conductivity and mechanical properties at the same time; Based on high-performance ink materials and advanced printing technology, the applicant intends to realize the integration of the flexible energy storage device with pressure sensor and gas sensor, and realize real-time monitoring of multiple signals by flexible wearable devices. The implementation of this project will provide an important reference for the fabrication, integration and application of flexible energy storage devices.

随着可穿戴电子设备需求的日益增长，人们对于现有柔性储能器件的性能和可集成化提出了更高要求。喷墨打印技术常用来实现柔性微型超级电容器的集成化，然而目前仍存在诸如有效的油墨材料种类不多、多数油墨材料容量不高等瓶颈问题。因此，制备可适用于喷墨打印技术的高性能油墨材料仍具有较大挑战。本项目拟基于双喷嘴分步喷墨打印技术，实现聚苯胺、聚吡咯等导电高分子的快速图形化制备，在打印过程中完成油墨材料的优化合成；申请人将利用具有柔性链段的杂化分子对导电高分子实现原位掺杂和改性，实现导电高分子半结晶性和无序性的良好整合，进而实现电导率和机械性能的同时提高；基于高性能的油墨材料和先进的打印技术，申请人拟实现所制备的柔性储能器件与压力传感器、气体传感器的集成，实现柔性可穿戴设备对于多重信号的实时监测。通过本项目的实施，将为柔性储能器件的制作、集成及应用提供重要参考。

柔性电子深入交叉融合人工智能、材料科学、能源科学、健康医疗等领域，具有联动效应强的特点。柔性电池有着机械性能好、比容量高、安全性高、成本低、易集成等优势，是柔性电子器件的首选。先进的电子设备越来越偏向于柔性化，轻质可佩带，这对柔性储能器件的需求越来越强烈。围绕导电聚合物柔性储能器件，共取得以下两方面的重要进展和成果，分述如下：.1）实现了导电聚合物的多角度调控到电化学性能优化提升的应用路径。.系统探究了电化学应用关注的各个关键材料参数的实现与优化，获得了一系列优秀的导电聚合物电极材料、导电聚合物为前驱体的碳材料，以及多重电化学应用的优秀性能。具体的，聚合过程中引起的链缺陷以及无序度都会影响电子的传输，因此想要获得高电导率需要有较高的结晶度，而想要保证良好的拉伸性则需要较高的无序度来保证链的移动和折叠，通过引入主链为柔性链段且侧链中含有易形成非共价键的添加剂及掺杂剂，实现了柔性可自支撑的柔性导电聚合物的制备。通过半程序化的调控获得不同尺寸的微纳米结构，并相应研究了其对于具体储能应用的效果，为导电聚合物的电化学性能的提升提供一定依据。并且通过对导电聚合物不同掺杂剂以及电解液的合理调控，使其放电电压平台得以提高，同时，进一步分析了其作用原理，通过调控电解液中阴离子种类可以有效抑制降解。为导电聚合物基水系储能器件的能量密度提高提供可行方案。.2）实现了柔性储能器件的微纳米化及大规模制备.柔性导电聚合物的喷墨打印及性能调控已经通过喷墨打印技术完成了导电聚合物柔性电极的制备工作，并且组装平面型叉指结构超级电容器。完成集成微型超级电容器的制备，并实现了温度、压力、血氧等柔性检测电路的制备。柔性储能器件中，活性材料的负载量对储能器件性能有着至关重要的作用，因此，通过丝网印刷详细研究了不同印刷层数、不同基底、不同导电集流体等对柔性能源器件的影响，组装了全印刷结构的柔性锌离子电池，实现了集成器件的能量存储、倍率、 柔性等性能评估。