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浙江理工武觀團隊在纖維基超級電容器領(lǐng)域新進展
來源：浙江理工大學材料科學與工程學院 2022-07-19
導讀：?近日，浙江理工大學材料科學與工程學院武觀研究員團隊，在纖維基超級電容器的高能量密度和實際應(yīng)用方面取得了系統(tǒng)原創(chuàng)性成果，陸續(xù)在Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano等國際重要刊物上發(fā)表多篇學術(shù)論文，為新能源工程材料及智能可穿戴領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化提供有效途徑。
高容量柔性儲能技術(shù)是推動當今可穿戴設(shè)備、新能源、碳中和等重大領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。其中，纖維基超級電容器具有可編織、充電快、比容量高、形變供電優(yōu)、長循環(huán)壽命、高耐環(huán)境、穩(wěn)定安全等優(yōu)點，已成為高性能柔性儲能技術(shù)的核心材料。然而，受限于纖維電極無序結(jié)構(gòu)、小孔隙率和低電化學活性，造成離子動力學擴散/存儲受阻，導致纖維基超級電容器表現(xiàn)出低的能量密度和實際應(yīng)用。因此，如何精確構(gòu)筑纖維有序微結(jié)構(gòu)、大孔隙率及高電化學活性，實現(xiàn)高能量密度及實際供電應(yīng)用，是當今新能源領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的課題之一。近日，材料科學與工程學院武觀研究員團隊，在纖維基超級電容器的高能量密度和實際應(yīng)用方面取得了系統(tǒng)原創(chuàng)性成果，陸續(xù)在Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano等國際重要刊物上發(fā)表多篇學術(shù)論文，為新能源工程材料及智能可穿戴領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化提供有效途徑。2022年2月，在Angewandte Chemie International Edition雜志上發(fā)表了題為《Microfluidic Fabrication of Hierarchical-Ordered ZIF-L(Zn)@Ti3C2Tx Core-Sheath Fibers for High-Performance Asymmetric Supercapacitors》的文章。該工作從設(shè)計纖維電極的有序微結(jié)構(gòu)和多孔界面入手，開發(fā)微流控組裝和限域微通道反應(yīng)新方法，構(gòu)建了分級有序的ZIF-L(Zn)@Ti3C2Tx芯鞘纖維材料。該芯鞘纖維通過Ti-O-Zn/Ti-F-Zn鍵橋連，具有各向異性結(jié)構(gòu)、有序離子通道、豐富微/介孔垂直界面、高界面電子傳導和可大規(guī)模制備的優(yōu)點，極大地促進了電解質(zhì)離子動力學遷移和插層存儲。ZIF-L(Zn)@Ti3C2Tx芯鞘纖維，在1M H2SO4液態(tài)電解質(zhì)中具有大容量 (1 A cm-3電流密度下容量為1700 F cm-3) 和優(yōu)異的倍率性能 (150 A cm-3電流密度下容量為845 F cm-3)。再者，構(gòu)筑的非對稱固態(tài)電容器具有高能量密度 (19.0 mWh cm-3)、優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性 (20000圈)，實現(xiàn)大變形/可穿戴供電和耐高低溫特性。得益于以上優(yōu)異的性能，將纖維構(gòu)筑成芯片式超級電容器，成功實現(xiàn)了自然光誘導的自供能應(yīng)用設(shè)計，可為LEDs、光纖燈、電風扇和水位/地震報警設(shè)備供電。論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.2021155592022年6月，在Angewandte Chemie International Edition雜志上發(fā)表了題為《Interfacial Polymetallic Oxides and Hierarchical Porous Core-Shell Fibres for High Energy-Density Electrochemical Supercapacitors》的文章。該工作通過限域自組裝和原位相分離策略合成異質(zhì)結(jié)構(gòu)多金屬氧化物/多孔石墨烯微核-殼纖維(PMO-PGF)。在高溫煅燒過程中，多金屬氧化物通過原位相分離反應(yīng)遷移并沉積到石墨烯纖維表面，同時在石墨烯纖維表面及內(nèi)部形成豐富的多孔通道。PMO-PGF具有豐富的微介孔通道 (孔容：0.49 cm3 g-1, 孔徑分布: 0.76-14.7 nm)、高比表面積 (432.67 m2 g-1)、大電化學活性以及優(yōu)異的界面電子傳導。因此，PMO-PGF在6M KOH電解質(zhì)中表現(xiàn)出高面積比電容 (2959.78 mF cm-2) 和可控的法拉第贗電容。此外，基于PMO-PGF組裝的全固態(tài)纖維狀超級電容器在PVDF-HFP/EMIMBF4中呈現(xiàn)出超高的能量密度 (187.22 μWh cm-2)、大的面積比電容 (862.72 mF cm-2) 和長的循環(huán)穩(wěn)定性 (20000次循環(huán)后電容保留95.8%)。基于以上優(yōu)異的電化學儲能性能，該纖維基超級電容器實現(xiàn)了為各種電子器件供電的實際應(yīng)用。論文鏈接：https://doi.org/10.1002/ange.2022037652022年7月，在ACS Nano雜志上發(fā)表了題為《Two-Dimensional Hybrid Nanosheet-Based Supercapacitors: From Building Block Architecture, Fiber Assembly, and Fabric Construction to Wearable Applications》的綜述文章。圍繞纖維微觀基元、介觀纖維到宏觀織物的多尺度研究對象，從化學組裝和制備出發(fā)，對二維復(fù)合材料纖維基超級電容器的最新研究進展進行了總結(jié)。系統(tǒng)概括了：(1) 微觀二維基元設(shè)計：基于表面修飾、贗電容耦合、異質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控與界面共價/靜電組裝等，構(gòu)筑的二維復(fù)合基元能夠高效促進電子傳導、電荷轉(zhuǎn)移和離子吸附；(2) 有序介觀纖維組裝：基于各種紡絲方法 (濕法紡絲、干法紡絲、靜電紡絲、微流控紡絲和限域組裝) 制備具有各向異性、均一多孔、垂直排列、中空網(wǎng)絡(luò)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等的有序纖維，大幅提升了纖維中的離子動力學擴散及存儲能力；(3) 多功能宏觀織物裝配：基于微流體、氣噴紡絲，3D打印技術(shù)等先進紡絲技術(shù)制備的多功能織物，具有高力學強度/柔性、大導電性和優(yōu)循環(huán)壽命，同步提升了器件的機械柔性和能量密度；(4) 可穿戴實際應(yīng)用：優(yōu)化集成了柔性超級電容器、發(fā)電裝置和電子器件，實現(xiàn)了穿戴供電、自供能、健康管理和續(xù)航應(yīng)用。此外，作者針對纖維基超級電容器的難點與挑戰(zhàn)，著重討論了二維基元材料、介觀纖維、宏觀織物及可穿戴應(yīng)用的優(yōu)/缺點和未來發(fā)展方向，為高性能纖維基超級電容器可控設(shè)計、創(chuàng)新發(fā)展和實際應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。
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