柔性储能新突破!太原理工袁仲云教授团队研发碳膜改性电极,循环稳定性提升超2倍,相关成果发表于SS

在物联网、人工智能与柔性电子技术蓬勃发展的今天，智能手表、电子皮肤、可穿戴医疗设备等产品对储能器件提出了 “柔性、高效、长寿命、低成本” 的多重要求。柔性超级电容器凭借快充快放、高功率密度、安全稳定的优势，成为这类器件的核心储能选择，而电极材料的性能直接决定了其应用潜力。

本研究聚焦的阳极氧化不锈钢电极，是一种典型的赝电容型柔性超级电容器的候选材料。它具备制备简单、成本低廉、环保无毒且无需粘结剂的突出优势，天生适配柔性器件的生产需求。但它存在一个致命短板：电极中的氧化铁活性物质在充放电过程中会发生明显的体积变化，就像电池内部的 “伸缩运动”，长期下来会导致电极结构破损、活性物质脱落，循环稳定性极差 ——8000 次循环后容量保留率仅 40% 左右，这成为其商业化应用的最大阻碍。

为解决这一关键难题，研究团队提出了创新解决方案：采用电子回旋共振溅射技术，在阳极氧化不锈钢电极表面沉积一层超薄碳膜作为保护层(图1)。这一技术的创新之处在于，通过精准优化沉积偏压(+100 V)和沉积时间(10 min)，让碳膜实现了 “双重功能”：一方面，它像一层坚固的 “防护衣”，牢牢包裹住电极表面，抑制了氧化铁的体积变化，避免电极结构破损；另一方面，与常规的绝缘体非晶碳膜不同，该碳膜富含类似石墨烯的sp²杂化碳结构，导电性大幅提高，一定程度解决了传统保护层可能阻碍电荷传输的问题。

实验结果令人瞩目：改性后的电极比是未涂层电极的2.24倍，8000次循环后容量保留率高达88.7%，远超传统改性方案(图2)。基于该电极组装的全固态柔性超级电容器，展现出综合性能优势 —— 工作电压窗口拓展至1.8 V，能量密度达到51.70 mWh・cm⁻³，且具备极强的柔性稳定性：即使经过600次弯曲、弯折角度达到180°，仍能保持90%以上的电容性能，可直接为小型电子设备供电。

该研究的核心亮点在于兼顾了 “性能突破” 与 “实用价值”(图3)。从技术层面看，它揭示了碳膜结构(sp²/sp³ 比例)与电极性能的关联，为柔性储能材料的设计提供了新思路；从应用层面讲，碳膜涂层技术兼容规模化半导体制造工艺，解决了传统改性方法成本高、工艺复杂、难以量产的痛点。

放眼未来，这类高性能柔性超级电容器有望在更多领域落地：除了消费级可穿戴设备，还能应用于柔性显示屏、智能服装、便携式医疗仪器等场景。随着技术进一步优化，若能持续提升能量密度、降低生产成本，它将为柔性电子产业的规模化发展提供核心储能支撑，甚至在新能源汽车、分布式储能等领域开辟新的应用空间，推动 “柔性化、高效化、绿色化” 储能技术的全面升级。