《Advanced Science》：微流控纺丝构筑柔性纤维超级电容器新进展

来源：高分子科学前沿

近来，随着新能源存储技术和可穿戴产业的快速发展，如何开发具有高能量密度、高可编织、自供电等性能的纤维状超级电容器一直是该领域前沿方向之一。然而，由于纤维电极内部致密堆垛的无序结构，造成离子迁移速度慢和电荷存储总量少，导致器件表现出低的能量密度输出，成为制约其发展的瓶颈问题。

针对上述科学问题，南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授、武观副教授、华东理工大学化工学院徐至教授等人，利用微流控限域组装方法（微流体纺丝机由南京捷纳思新材料有限公司提供），构筑先进内部多孔和外部有序的核壳结构纤维电极材料。内部多孔结构是利用树枝状大分子（丰富氨基官能团）接枝的聚苯乙烯纳米颗粒（PS-G3PAMAM）作为模板，在Y型微通道内和氧化石墨烯（GO）进行超声均匀混合，经过水热组装和高温退火后，PS-G3PAMAM模板分解形成均一多孔和各向异性结构的石墨烯纤维。外部有序结构是经过微通道实现氧化镍纳米片（VA-NiONSs）在石墨烯纤维表面原位垂直有序生长，形成核壳结构纤维材料。该核壳纤维电极展示出大的比表面积（425.6 m2g-1）、丰富的离子通道（微/介孔）、高的电导率（176.6 S cm-1）和充分的氧化还原活性，从而高效促进离子迁移和过量存储。构筑的柔性超级电容器表现出超高的能量密度(120.3 μWhcm-2)和大的比电容(605.9 mF cm-2)。基于纤维材料优异的机械强度和电化学储能性能，成功实现可穿戴自供电系统的设计，即将纤维状超级电容器、太阳能电池和显示器集成于一体，可将太阳能转换成电能并存储为显示器件供电。该研究成果于近日发表在国际重要刊物《Advanced Science》上(Microfluidic-Architected Nanoarrays/Porous Core-Shell Fibers towards Robust Micro-Energy Storage, 2019, DOI: 10.1002/advs.201901931)。南京工业大学硕士研究生孟金库为第一作者。

该研究成果获得审稿人高度评价：“The proposed research work is well designed with comprehensive characterization, special in device fabrication and performance evaluation. In addition, the whole manuscript has been designed and written well in English, special in Figures' design, which help the readers be much easier to understand the interesting research work. Furthermore, the authors also fabricated a real device which can be integrated with electronics, showing the promising to be further developed into wearable devices.”

该课题得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、国家青年基金、江苏省高校优势学科建设工程、江苏省青年基金、材料化学工程国家重点实验室等基金的资助和支持。

图文速递

图1. 微流体纺丝机（南京捷纳思新材料有限公司提供）

图2. (a) 氧化石墨烯与聚苯乙烯纳米颗粒的复合机理; (b)微流控构筑核-壳结构纤维电极; (c)可穿戴自供电系统的设计。

图3. (a-j)核壳结构纤维电极的SEM截面图、元素分布图、SEM表面图; (k-n)纯石墨烯纤维电极的SEM图; (o-p)纯石墨烯、多孔石墨烯、核壳结构纤维电极的XRD图谱、孔径分布图; (q) 核壳结构纤维电极的应力应变曲线。

图4. (a)纯石墨烯、多孔石墨烯、核壳结构纤维电极的微观结构示意图; (b-f)三种不同纤维电极构建的纤维状超级电容器的循环伏安特性曲线、恒电流充放电曲线、交流阻抗图谱、比电容、循环稳定性对比图; (g) 核壳结构纤维电极弯曲稳定性。

图5. (a-b)基于离子液体的核壳结构纤维电极构建的超级电容器的循环伏安特性曲线、恒电流充放电曲线; (c) 基于纳米碳电极的纤维状超级电容器的能量密度和功率密度比较; (d)纤维状超级电容器集成到纺织品中作为能源供应，为智能手表供电; (e) 纤维状超级电容器与太阳能电池组装在一起，为显示器供电。