一步湿法纺丝！广西大学孙建平教授&张亚斌教授《ESM》：可穿戴纤维超级电容器新突破！

第一作者：马兑新

通讯作者：孙建平，张亚斌

单位：广西大学

随着物联网（IoT）与5G时代的到来，可穿戴电子设备迎来爆发式发展，而传统能源供给装置难以满足其对“可持续性”与“柔性”的双重需求。柔性纤维超级电容器（FSCs）凭借紧凑结构、优异穿戴性、易集成到纺织品的特性，成为可穿戴设备的理想电源选择。

然而，当前FSCs的规模化应用面临两大核心瓶颈：一是传统多步制备工艺复杂，电极与固态电解质的集成过程繁琐，导致生产效率低、产品一致性差；二是难以同时实现 “高电化学活性”与“机械稳定性”的材料匹配，且功能材料沿纤维轴的均匀分布难以保证，直接影响器件的稳定性。因此，开发一种 “一体化”、“高效率”、“可规模化”的FSCs制备策略，成为推动可穿戴储能技术落地的关键。

近日，广西大学孙建平教授&张亚斌教授合作在国际知名期刊《Energy Storage Materials》上发表题为“Scalable one-step coaxial wet spinning of regenerated cellulose fiber supercapacitors with integrated electrolyte-electrode interfaces”的研究论文。该工作提出了一种“一体化”构建策略，利用一步同轴湿法纺丝技术，同步构建电极与电解质层，成功实现了高性能纤维超级电容器的快速连续化与规模化制备。

本研究的核心突破在于开发了一种可规模化的“一体化”同轴湿法纺丝技术。该技术通过同步共挤皮层（纤维素/PVA/PSS电解质）与芯层（MXene/PANI/MWCNTs-COOH电极）纺丝液，利用纤维素在酸性凝固浴中的快速相变特性，使纤维的电极与电解质在成型瞬间原位集成为一体。这种制备方法从根本上跳过了传统多步法的繁琐流程，从源头上消除了因分步组装导致的界面接触电阻高、结合力弱等固有问题，为高性能纤维器件的制备奠定了坚实的基础

在电极材料设计上，团队构建了MXene、PANI与MWCNTs-COOH的多元复合体系。其中，PANI不仅是赝电容活性物质，更插入MXene层间起着“分子间隔柱”的作用，从而有效抑制其片层堆叠，为离子迁移创建丰富通道；而MWCNTs-COOH则作为贯穿电极的“导电骨架”，与MXene协同构建了高效的电子传输网络。这种协同三种材料性能的三位一体设计，在微观尺度上实现了离子可及性与电子传导性的协同优化。

得益于前述多组元的协同效应与一体化构建策略，该纤维超级电容器实现了能量密度与循环寿命的同步突破。研究显示，一体化器件结构确保了电极与电解质界面的紧密结合与稳定性，显著降低了界面阻抗，并有效缓冲了充放电过程中的体积变化。与此同时，芯层内扩大的MXene层间距与稳固的导电网络，共同保障了离子与电子的高效、可逆传输。正是这些结构优势，协同促成了器件在1 A g^-1电流密度下高达598 F g^-1的比电容，并在10,000次循环后仍能保持91.7%的初始容量，展现出卓越的实用前景。

由于所得一体化FSC具有良好的柔韧性，在不同弯曲状态下充放电性能几乎不变，即使历经数千次弯折仍能稳定工作。当将这种FSC编织入纺织品后，其能成功点亮LED灯组，也能为人体佩戴的电子手表供电。此外，本研究最终也形成了完整的连续化湿法纺丝生产线，标志着跨出实验室向市场大规模、低成本制造应用的可能。

Scalable one-step coaxial wet spinning of regenerated cellulose fiber supercapacitors with integrated electrolyte-electrode interfaces

孙建平教授简介：广西大学教授、博士生导师。长期致力于木材科学与技术、生物质功能器件及可穿戴柔性电子器件的交叉创新研究。在《Energy Storage Materials》、《Nano Energy》、《Chemical Engineering Journal》等国际权威期刊发表多篇高水平学术论文。目前主要研究方向聚焦于：生物质复合材料的结构性能优化与无损评价、基于计算机视觉的红木识别技术、柔性储能器件的构建与产业化关键技术开发。