化工系 李文亞副教授

近年來彈性電子元件相關的研究極為快速發展，因為與一般傳統硬式元件不同的是彈性電子元件可以緊緊貼附在各樣的表面上，而且與可撓曲元件相比(如可摺疊手機)，彈性電子元件具有更高的相容性以及機械形變忍受能力，因此具有許多嶄新應用等待發掘，例如機器人的電子皮膚、彈性顯示器、球型感光元件(電子義眼)等。不只是國內大學與研究機構都投入大量人力之外，國外的大型企業更是大量的投入相關的技術與專利開發上，然而隨著彈性可拉伸電子元件的開發，功能越來越強大，各方面的特性不斷發展，對於能源的需求也是越來越大，而且為了與彈性電子元件相匹配，能源技術也對於可拉伸且彈性的高容量元件要求日益嚴格，為了尋找一個安全、容量大、充電快且循環壽命長的儲能裝置，而且同時具備有高度可拉伸變形能力，不少團隊會選擇超級電容器來做為主要的技術研究，超電容具有安全、功率密度大、多種材料選擇且循環壽命長等優點，近年來許多研究團隊也開發出具有可拉伸超級電容器，然而考量到穿戴時的美觀以及透光性電子元件需要搭配透明的儲能元件，現在文獻中鮮少有將透明軟性的可拉伸超級電容器，最主要的問題在於很難兼顧透明性、拉伸性與儲能這些功能的性質，至今依舊是項困難的挑戰。而在本研究中，我們團隊結合導電高分子與奈米銀絲材料來成功開發具有高度透光性的可拉伸彈性儲能技術。

為了中開發同時具有透明與可拉伸之儲能技術，我們採用具有導電高分子: 聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸) (PEDOT:PSS)來作為主要的儲能活性材料，並在其中導入高導電性一維奈米銀絲來提升導電性，以及利用聚乙烯醇/磷酸系統作為凝膠電解質，來組裝成超級電容器元件。 為了讓奈米銀絲可以跟導電高分子有均勻的分散，我們在導電高分子PEDOT溶液經過添加少量的乙二醇(EG)及界面活性劑(Triton-X)，這樣少量的溶劑與分散劑添加可以改變導電高分子與奈米銀絲之間的相容性，可以在單層結構大幅降低成膜後的片電阻至20 Ω/󠄖□，而且本高分子複合薄膜在波長550奈米的可見光下，複合電極依舊具有高透光度(87%)，經在10 mV/s的掃描速率下具有158 F/g的電容值，在經過2000次的循環充放電後，超電容除能量沒有明顯下降。組裝成透明軟性超電容並進行彎曲測試，當曲率半徑為1.25公分時，超電容的電容值不減反增，電容保留率為初始值的111%。結果顯示我們已成功藉由導電高分子/奈米銀絲複合材料製作出透明可拉伸電極，提高超級電容器在透明軟性能源和其他軟性透明電子元件的應用範圍，未來將可以在新穎的應用(如電子皮膚或自充電智慧織物)提供足夠的能源與相容性。目前此研究成果已經刊登於知名期刊ACS Appl. Energy Mater. 2021, 4, 3, 2266–2274. https://doi.org/10.1021/acsaem.0c02781

圖一、透明可拉伸彈性高分子儲能元件

圖二、(a)電容撓曲測試；(b)不同彎曲直徑之電化學循環伏安圖；(c)不同拉伸狀態下的電容衰退測試；(d)純導電高分子與導電高分子複合電極之內電阻表現。