フレキシブル対称型スーパーキャパシタの最新動向。材料工学からウェアラブルアプリケーションまで

Latest Advances in Flexible Symmetric Supercapacitors: From Material Engineering to Wearable Applications.

• Chao Lu
• Xi Chen

抄録

ConspectusFlexible Symmetric Supercapacitors (FSSs)は、その優れた柔軟性、高出力密度、および良好なサイクル安定性により、エネルギー貯蔵および変換分野で大きな注目を集めている。ＦＳＳデバイスは、一般的に１枚の固体電解質層を２枚の電極層で積層して構成されており、エネルギー貯蔵、電気刺激への応答、さらには様々な動作メカニズムに基づいた外部応力や歪みの変化の検出などを実現することができる。上述のような多機能なFSSデバイスは、ウェアラブル電源の実用化や人工知能の分野で多くの重要な役割を果たすことが期待されています。本報告書では、基礎的な材料工学からウェアラブル応用まで、FSSデバイスの最新動向を紹介する。まず、FSSシステムのフレキシブル固体電解質や電極に使用されている先進的な機能性材料について説明する。イオン伝導性の高いヒドロゲルやイオノゲルなどのイオン伝導性の高い電解質は、デバイス内でのイオンの移動速度を高速かつ安定にするために設計されてきた。また、FSSデバイスの多機能化を実現するために、高い電荷蓄積容量を持ち、効率的な電気機械変換が可能で、かつ感度の高いイオン応答を示す高性能電極材料をいくつか紹介する。その後、デバイス内のインターフェースの性能解析を行い、ロバストなインターフェースの構築戦略を示す。次に、高エネルギー密度電源,フレキシブルアクチュエータ,アクティブアクチュエータ,ウェアラブルセンサ,高感度センサなど、FSSデバイスのフレキシブルでウェアラブルなアプリケーションについてまとめた。これらの多機能は、デバイス寸法の最適化、イオンマイグレーション動態の制御、先端材料の開発によって実現されており、デバイスの対応する動作メカニズムを詳細に示す。現在、ナノ材料やナノサイエンスの台頭は、FSSデバイスの性能をさらに向上させ、最終的にはウェアラブルアプリケーションを実現するための大きなチャンスを提供しています。このようなスマートな多機能を備えたウェアラブルFSSデバイスは、次世代の人工知能向けフレキシブルエレクトロニクスの開発を大きく促進するものと考えられます。本会計は、FSS デバイスの根本的な解明に向けた多大な努力を促進し、そのデザインメンタリティが、他のフレキシブルでウェアラブルな電気化学エネルギーデバイスの開発を加速させることが期待されています。

ConspectusFlexible symmetric supercapacitors (FSSs) have received enormous attention in energy storage and conversion areas by virtue of their superior flexibility, high power density, and good cycling stability. FSS devices are typically composed of one solid electrolyte layer laminated by two electrode layers, which can realize energy storage, response to electrical stimulus, and even detect external stress or strain change based on various working mechanisms. The as-mentioned multifunctions of FSS devices are expected to play many critical roles in practical applications of wearable power supply and in artificial intelligence. This realization strongly associates with the rapid development of materials science and engineering, especially nanomaterials and smart structure design, and the multifunctions are results of rational designs of critical materials, optimization of device dimensions, and selectivity of active ion species.This Account showcases the latest advances in FSS devices concerning several critical aspects from fundamental material engineering to practical wearable applications. We first describe advanced functional materials utilized in flexible solid electrolytes and electrodes of FSS systems. Several highly ion-conductive hydrogel and ionogel electrolytes with excellent mechanical properties have been designed for the fast and stable ionic migration kinetics in devices. Some high-performance electrode materials with high charge storage capacity, efficient electromechanical conversion, and sensitive ionic response are presented for realizing multifunctions of FSS devices. After that, analysis of interfaces in devices on their performances is provided, and the construction strategies of robust interface are displayed as well. We then summarize flexible and wearable applications of FSS devices, including high-energy density power sources, flexible and electroactive actuators, and wearable and sensitive sensors. These multifunctions are realized by optimization of device dimensions, control of ion migration kinetics, and development of advanced materials, and the corresponding working mechanisms of the devices are presented in detail. The long-term development and future research directions of FSS devices are also envisioned.At present, the rise of nanomaterials and nanoscience is providing great opportunity to further improve performances of FSS devices and finally realize their wearable applications. These wearable FSS devices with smart multifunctions will significantly promote the development of next-generation flexible electronics for artificial intelligence. It is expected that this Account can promote tremendous efforts toward fundamental clarification of FSS devices, and the design mentality will accelerate the development of other flexible and wearable electrochemical energy devices.