浙江理工武观团队在纤维基超级电容器领域新进展

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浙江理工武观团队在纤维基超级电容器领域新进展

来源：浙江理工大学材料科学与工程学院 2022-07-19

导读：近日，浙江理工大学材料科学与工程学院武观研究员团队，在纤维基超级电容器的高能量密度和实际应用方面取得了系统原创性成果，陆续在Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano等国际重要刊物上发表多篇学术论文，为新能源工程材料及智能可穿戴领域的创新发展和产业化提供有效途径。

高容量柔性储能技术是推动当今可穿戴设备、新能源、碳中和等重大领域可持续发展的关键之一。其中，纤维基超级电容器具有可编织、充电快、比容量高、形变供电优、长循环寿命、高耐环境、稳定安全等优点，已成为高性能柔性储能技术的核心材料。然而，受限于纤维电极无序结构、小孔隙率和低电化学活性，造成离子动力学扩散/存储受阻，导致纤维基超级电容器表现出低的能量密度和实际应用。因此，如何精确构筑纤维有序微结构、大孔隙率及高电化学活性，实现高能量密度及实际供电应用，是当今新能源领域极具挑战性的课题之一。

近日，材料科学与工程学院武观研究员团队，在纤维基超级电容器的高能量密度和实际应用方面取得了系统原创性成果，陆续在Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano等国际重要刊物上发表多篇学术论文，为新能源工程材料及智能可穿戴领域的创新发展和产业化提供有效途径。

2022年2月，在Angewandte Chemie International Edition杂志上发表了题为《Microfluidic Fabrication of Hierarchical-Ordered ZIF-L(Zn)@Ti₃C₂T_x Core-Sheath Fibers for High-Performance Asymmetric Supercapacitors》的文章。该工作从设计纤维电极的有序微结构和多孔界面入手，开发微流控组装和限域微通道反应新方法，构建了分级有序的ZIF-L(Zn)@Ti₃C₂T_x芯鞘纤维材料。该芯鞘纤维通过Ti-O-Zn/Ti-F-Zn键桥连，具有各向异性结构、有序离子通道、丰富微/介孔垂直界面、高界面电子传导和可大规模制备的优点，极大地促进了电解质离子动力学迁移和插层存储。ZIF-L(Zn)@Ti₃C₂T_x芯鞘纤维，在1M H₂SO₄液态电解质中具有大容量 (1 A cm^-3电流密度下容量为1700 F cm^-3) 和优异的倍率性能 (150 A cm^-3电流密度下容量为845 F cm^-3)。再者，构筑的非对称固态电容器具有高能量密度 (19.0 mWh cm^-3)、优异循环稳定性 (20000圈)，实现大变形/可穿戴供电和耐高低温特性。得益于以上优异的性能，将纤维构筑成芯片式超级电容器，成功实现了自然光诱导的自供能应用设计，可为LEDs、光纤灯、电风扇和水位/地震报警设备供电。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202115559

2022年6月，在Angewandte Chemie International Edition杂志上发表了题为《Interfacial Polymetallic Oxides and Hierarchical Porous Core-Shell Fibres for High Energy-Density Electrochemical Supercapacitors》的文章。该工作通过限域自组装和原位相分离策略合成异质结构多金属氧化物/多孔石墨烯微核-壳纤维(PMO-PGF)。在高温煅烧过程中，多金属氧化物通过原位相分离反应迁移并沉积到石墨烯纤维表面，同时在石墨烯纤维表面及内部形成丰富的多孔通道。PMO-PGF具有丰富的微介孔通道 (孔容：0.49 cm³ g^-1, 孔径分布: 0.76-14.7 nm)、高比表面积 (432.67 m² g^-1)、大电化学活性以及优异的界面电子传导。因此，PMO-PGF在6M KOH电解质中表现出高面积比电容 (2959.78 mF cm^-2) 和可控的法拉第赝电容。此外，基于PMO-PGF组装的全固态纤维状超级电容器在PVDF-HFP/EMIMBF₄中呈现出超高的能量密度 (187.22 μWh cm^-2)、大的面积比电容 (862.72 mF cm^-2) 和长的循环稳定性 (20000次循环后电容保留95.8%)。基于以上优异的电化学储能性能，该纤维基超级电容器实现了为各种电子器件供电的实际应用。

论文链接：https://doi.org/10.1002/ange.202203765

2022年7月，在ACS Nano杂志上发表了题为《Two-Dimensional Hybrid Nanosheet-Based Supercapacitors: From Building Block Architecture, Fiber Assembly, and Fabric Construction to Wearable Applications》的综述文章。围绕纤维微观基元、介观纤维到宏观织物的多尺度研究对象，从化学组装和制备出发，对二维复合材料纤维基超级电容器的最新研究进展进行了总结。系统概括了：(1) 微观二维基元设计：基于表面修饰、赝电容耦合、异质结构调控与界面共价/静电组装等，构筑的二维复合基元能够高效促进电子传导、电荷转移和离子吸附；(2) 有序介观纤维组装：基于各种纺丝方法 (湿法纺丝、干法纺丝、静电纺丝、微流控纺丝和限域组装) 制备具有各向异性、均一多孔、垂直排列、中空网络、异质结构等的有序纤维，大幅提升了纤维中的离子动力学扩散及存储能力；(3) 多功能宏观织物装配：基于微流体、气喷纺丝，3D打印技术等先进纺丝技术制备的多功能织物，具有高力学强度/柔性、大导电性和优循环寿命，同步提升了器件的机械柔性和能量密度；(4) 可穿戴实际应用：优化集成了柔性超级电容器、发电装置和电子器件，实现了穿戴供电、自供能、健康管理和续航应用。此外，作者针对纤维基超级电容器的难点与挑战，着重讨论了二维基元材料、介观纤维、宏观织物及可穿戴应用的优/缺点和未来发展方向，为高性能纤维基超级电容器可控设计、创新发展和实际应用提供了理论基础和技术参考。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c02841

参考资料：https://mse.zstu.edu.cn/info/1060/5204.htm

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