整合纤维素凝胶、电活性碳材料与碳纤维导体，构建一种具有高性能、高柔韧性和可规模化制备潜力的一体化纤维状超级电容器

随着可穿戴技术的快速发展，柔性电子设备逐渐从实验室走向商业化，其应用范围覆盖健康监测、智能纺织、柔性传感器、便携式显示乃至软体机器人等多种场景。此类设备在服用舒适性、安全性和高度弯折条件下的机械适应性方面提出了更高要求，因此能源存储单元的结构设计成为影响整机性能的关键因素之一。在众多可替代方案中，柔性超级电容器凭借其高功率密度、快速充放电速度以及优异的循环稳定性，被认为是最具潜力的能量存储技术之一。然而传统超电容器依赖液态电解质，不仅存在渗漏风险，也无法满足柔性设备对高弯折性和结构集成度的需求。为解决这一矛盾，研究者们开始探索凝胶电解质与纤维状结构的结合，特别是利用生物基、可降解的多糖类作为电解质兼隔膜材料，为绿色、可持续的柔性能量存储器件提供可能。其中，纤维素作为自然界最丰富的可再生高分子之一，具有良好的力学性能、生物相容性、热稳定性和可调控的凝胶网络结构，在新型柔性超级电容器中显示出独特优势。然而，与商业凝胶电解质系统相比，纤维素凝胶在纤维状结构中作为电解质、隔膜甚至粘结剂的综合应用仍报道较少。由于缺乏成熟的制备方法和界面调控手段，如何在维持高柔性、高结构完整性的同时，实现高能量密度与高循环稳定性，是当前纤维素凝胶基柔性超级电容器研究中亟需突破的瓶颈。因此，该文通过整合纤维素凝胶、电活性碳材料与碳纤维导体，构建一种具有高性能、高柔韧性和可规模化制备潜力的一体化纤维状超级电容器，为绿色储能技术提供了新的研究方向。

该研究的重要创新之一在于充分利用纤维素凝胶的三重功能，包括作为 凝胶电解质、隔膜（diaphragm） 与 结构粘结层。纤维素的三维交联网络中包含大量亲水羟基，使其能够在保持形状稳定性的同时提供类似液态电解质的离子导电性。此外，纤维素凝胶形成的连续相能够显著改善电极—电解质界面的润湿性，降低界面电阻，使离子迁移更加高效。相比常见的石油基聚合物如 PVDF，纤维素具有成本低、生物可降解、高热稳定性等特点，例如其热分解温度超过 250 °C，使其能适用于更严苛的工作环境。更重要的是，本文中纤维素凝胶不仅用于离子传导，还承担了隔离正负极、防止短路的结构功能，同时作为粘合剂将 AC 活性材料牢固固定在碳纤维表面，并在扭绞结构中保持整体电极的稳定性。通过与纤维状结构结合，纤维素能够在弯折、拉伸和扭转等复杂形变下维持内部结构不脱层，从而使设备在 2000 次弯折后仍保持 89% 的电容，体现了其在力学维稳和界面整合中的优势。研究结果证明，纤维素在柔性超级电容器中不仅是电解质，更是一种结构—功能一体化的关键材料，使可持续、高性能柔性储能方案具有现实可行性。

我们提出了一种简化且可规模化的制备路径，通过“刷涂 AC—涂覆纤维素溶液—扭绞—再凝胶化”的方法构建纤维状超级电容器（FSC）。核心结构选用碳纤维作为柔性导电骨架，利用其高导电性、高机械强度及良好的柔韧性，而 AC 则提供高比表面积的电荷存储位点。通过 SEM、Raman、XRD 等多种表征，研究确认各组分在结构上良好兼容，AC 在碳纤维表面形成致密层，而纤维素包覆层在溶胶-凝胶过程中进一步补强界面并隔绝短路风险。更重要的是，该研究通过“扭绞结构”显著提高电极之间的有效接触面积，使离子在纤维复合结构中保持快速迁移通道。扭绞带来的螺旋结构不仅增强机械稳定性，还降低界面阻抗，使 Nyquist 曲线中高频区截距与电荷转移阻抗均得到优化。此外，研究系统探讨了碳纤维束数量、AC 线密度、纤维素层数及扭绞密度对性能的影响，并通过电化学阻抗与循环稳定性结果确定最佳参数组合。最终，优化后的 FSC 得到 99.3 F/g 的高比电容和 13.8 Wh/kg 的能量密度，展现出结构工程在柔性储能器件中的重要作用。本研究证明合理的界面工程和几何结构调控能够显著提升柔性纤维电容器的性能，有望在纺织化能源系统中广泛应用。

该研究系统评估了 FSC 的核心电化学性能，包括比电容、能量密度、功率密度、循环稳定性和电阻特性。优化后的 FSC 在 0.1 A/g 条件下达到了 99.3 F/g 的高比电容，其能量密度（13.8 Wh/kg）处于现有纤维状超级电容器的领先水平，并在 Ragone 图上展现了同时保持高能量密度与高功率密度的优势。EIS 测试显示其界面电荷转移阻抗仅 1 Ω 左右，表明离子在界面快速交换，器件几乎接近理想电双层电容行为。循环稳定性方面，设备在 1000 次循环后仍保持 88.7%，并且在 2000 次弯折测试后保留约 89% 电容，显示出卓越的柔性耐久性。SEM 观察表明弯折后 AC 层与纤维素层结构完整，没有明显剥离或断裂，证实纤维素凝胶在机械维稳中的作用。此外，为验证器件实用性，作者将多个 FSC 单元进行串联与并联组合，成功驱动 LED、腕表、温湿度计以及小型电机，实现可穿戴电子设备的持续稳定供电。这些应用展示了 FSC 在智能纺织、医疗监测与柔性机器人等领域的巨大潜力，特别是其能够直接缝入衣物而不影响佩戴体验。本研究不仅证明了材料本身的电化学优越性，还通过实际示例表明 FSC 已具备走向应用场景的技术基础