东华大学陈仕艳/吉鹏《CEJ》：可拉伸超级电容器获最新进展- 大数跨境

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东华大学陈仕艳/吉鹏《CEJ》：可拉伸超级电容器获最新进展

科学材料站

2021-08-27

导读：本文通过简单的连续湿法纺丝和卷绕工艺制备了一种具有自拉伸螺旋结构的PEDOT@BC/CNT杂化螺旋纤维。

文章信息

可连续集成的PEDOT@细菌纤维素/CNT复合螺旋纤维，用于自拉伸纤维状超级电容器

第一作者：梁欠倩

通讯作者：吉鹏*，陈仕艳*

单位：东华大学

研究背景

随着对可穿戴电子设备的需求持续增长，超级电容器的可拉伸性越来越重要。然而，制备不依靠弹性基体而具有自拉伸结构的纤维基可拉伸超级电容器仍然是一个挑战。

本研究通过湿法纺丝和卷绕工艺，以溶解的细菌纤维素（BC）为粘结基质，未溶解的BC纳米纤维和碳纳米管（CNT）为支撑物，聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）（PEDOT）用作增强材料，构建了具有“增强水泥砂”结构的自拉伸PEDOT@BC/CNT杂化螺旋纤维。

这种结构完美的避免了依靠弹性基体或辅助材料提供弹性的缺点。更重要的是，该螺旋纤维表现出优异的力学性能和电化学性能。这项工作提供了一种独立于弹性材料的可拉伸超级电容器的新策略，将在可穿戴电子产品中显示出广阔的应用前景。

文章简介

本文中，来自东华大学的陈仕艳教授和吉鹏老师团队通过简单的连续湿法纺丝和卷绕工艺制备了一种具有自拉伸螺旋结构的PEDOT@BC/CNT杂化螺旋纤维。该螺旋纤维表现出1175%的极限拉伸性，并且在100%应变下循环拉伸100次后，展现出显著的循环拉伸稳定性。

同时，自拉伸PEDOT@BC1/CNT2杂化螺旋纤维电极的重量比电容高达175.1F/g，并且在不同的弯曲度和拉伸应变下保持稳定。固体超级电容器的能量密度和功率密度分别可达4.0wh/kg和120.1w/kg。这项工作提供了一种独立于弹性材料的可拉伸超级电容器的新策略，将在可穿戴电子产品中显示出广阔的应用前景。

相关论文以题为Continuous and integrated PEDOT@Bacterial cellulose/CNT hybrid helical fiber with “reinforced cement-sand” structure for self-stretchable solid supercapacitor发表在《Chemical Engineering Journal》上。

图1自拉伸PEDOT@BC/CNT杂化螺旋纤维的制备工艺及结构。

本文要点

要点一：自拉伸螺旋纤维的结构表征

图2 BC1/CNT2（a，b）和PEDOT@BC1/CNT2（d，e）螺旋纤维在不同放大倍数下的FE-SEM图像。BC1/CNT2（c）和PEDOT@BC1/CNT2（f）的横截面图像。研究了PEDOT@BC1/CNT2螺旋纤维的表面（g）和横截面（h）的FE-SEM图像以及相应的EDS元素映射图像（C（黄点）、O（绿点）和S（红点））。

要点二：自拉伸螺旋纤维固态超级电容器的电化学性能

图3（a）自拉伸PEDOT@BC1/CNT2杂化螺旋纤维超级电容器结构示意图。(b) 超级电容器在不同扫描速率下的 CV 曲线。(c) 不同电流密度下超级电容器的 GCD 曲线。(d) 具有不同弯曲角度的超级电容器在30mV/s 时的 CV 曲线。(e) 在30mV/s 下具有不同拉伸应变的自拉伸超级电容器的CV曲线和电容保持率。(f) 超级电容器在30mV/s时的循环稳定性。插图是第2至第5000次循环的CV曲线。(g) 在200%到1000%的不同拉伸应变下与拉伸循环次数相关的电容保持率。（h）自拉伸螺旋纤维超级电容器和其他报道的超级电容器的重量比电容和应变的比较。

要点三：展望

当前对自拉伸的超级电容器的研究仍然有限，这也是未来研究的一个潜在的方向。由于凝胶电解质在空气中的长时间不稳定性，超级电容器在长时间的使用中会遇到电化学性能下降的问题，因此应对涂有凝胶电解质的超级电容器采取封装等措施（如PDMS封装等）。

一些其他因素（如温度，湿度等）对超级电容器的影响也有待进一步研究。了解这些影响稳定性的因素可以实现高稳定的超级电容器，以加速其进一步在实际可穿戴中的应用。

文章链接

Continuous and integrated PEDOT@Bacterial cellulose/CNT hybrid helical fiber with “reinforced cement-sand” structure for self-stretchable solid supercapacitor

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131904

通讯作者介绍

陈仕艳教授。

东华大学材料学院研究员。致力于细菌纤维素形成机理、多重结构调控、原位制备及功能材料研究。获得2014纺织工业联合会科技进步一等奖（4/12），2014纺织工业联合会科技进步二等奖一项（1/10）, 2015年上海科学技术发明一等奖（3/12）, 2015年桑麻纺织科技一等奖。2018年上海市教育系统巾帼建功标兵。第十五届上海市妇女代表大会代表。

吉鹏老师。

近年来，在聚酯、聚酰胺共聚合成、纤维材料功能化改性等相关领域授权中国发明专利45项、申请PCT专利2件，实施专利技术转让10项，以第一作者和通讯作者在Chemical Engineering Journal、Sensors and Actuators B、Polymer、纺织学报等学术期刊发表学术论文25篇。主持国家自然科学基金（青年基金）、国家博士后基金、国家重点研发计划项目专题、工信部绿色制造项目课题，同时承担了中国李宁、浙江恒逸、福建百宏等知名企业及德国科佩、美国迈图、路博润等多项企业委托项目。主要荣誉：先后获得2018、2019、2020年中国纺织工业联合会科技进步一等奖；2020年中国纺织工业联合会专利金奖；2020年湖南省科技进步二等奖；2017年江苏省科技进步三等奖；2019、2020年年中国纺织工业联合会科技进步二等奖；2019年纺织行业军民两用技术优秀创新成果奖。

通讯作者介绍

梁欠倩，东华大学材料科学与工程学院2020级博士研究生。

课题组介绍

东华大学化纤工程研究中心团队，起源于涤纶高速纺丝课题组，至今已有近40年的历史，是纤维成形理论研究与工程技术开发的专业团队。1978年，学校成立高速纺丝团队，开展“六五”“七五”“八五”攻关，后于1993年整合为化纤工程研究中心。团队紧密结合纤维材料学科与行业的发展，在纤维新材料设计、纺丝成形理论与技术、纤维清洁化加工、功能纤维、高性能纤维、纳米材料、复合材料、能源材料等方面形成了多个有特色的研究方向。