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柔性可穿戴式纤维型储能器件的应用
    近年来,与传统的超级电容器类似,纤维型超级电容器可通过电极表面或内部孔隙电解质离子的可逆吸附的电化学双电层电容储存电能,以及通过表面法拉第氧化还原反应或电极表面的离子嵌入/脱出来存储赝电容。目前,现有的柔性储能装置包括超级电容器、锂离子电池、锂硫电池、锂空电池、锌空电池和铝空电池等。


纤维型超级电容器和锂离子电池


纤维型超级电容器

超级电容器是一种能快速充放电的功率器件,其效率接近100%,具有优异的功率性能、良好的可逆性和循环稳定性。近年来,超级电容器因其优异的电化学性能被广泛用于柔性可穿戴电子设备的储能装置。根据基底和结构的不同,纤维型超级电容器的直径从微米到毫米不等。由天然棉纤维/纱线或合成纤维制成的传统纺织品本质上是不导电的,因此制备纤维超级电容器的关键是赋予这些柔性基底优异的导电性。例如,华中科技大学高义华团队制备出了基于棉纱的可穿戴纱线超级电容器。该装置采用浸渍干燥工艺在棉线表面包覆了一层单壁碳纳米管(SWCNTs)。由于它们较强的相互作用,棉纱被SWCNTs紧密包覆,所得棉线具有高导电性。此外,还通过电沉积法在SWCNT涂层棉线上生长了纳米MnO2和PPy薄膜。MnO2是主要的活性物质,PPy同时对该装置的电导率和赝电容有所贡献。所获得的PPy-MnO2-CNT棉线纳米结构具有良好的电化学性能,2000次充放电循环后,扫描速率为1mV/s,面积电容量为1.49F/cm2,其电容量保持率为87%。同时,对于超级电容器结构和功能的多样性研究也具有重要意义。复旦大学彭慧胜团队基于聚苯胺的氧化还原反应制备了一种电致变色纤维型超级电容器。该装置是将排列好的碳纳米管缠绕在弹性橡胶芯上,然后将聚苯胺电沉积到碳纳米管上制成电极,用H3PO4-PVA凝胶电解质进一步浸泡电极,制备出纤维型超级电容器。该装置在充电和放电过程中表现出较好的响应性和可逆的色跃迁。

相比于单根器件结构,通过针织或机织的方式制成的超级电容器织物能展现更高的能量密度和功率密度。例如,浙江大学高超团队提出了一种包芯湿纺的组装策略,用于编织结构松散的超级电容器包芯织物。


纤维型锂离子电池

锂离子电池通常由阴极、阳极和电解液组成。与超级电容器表面控制机制不同的是,锂离子嵌入/脱出的电化学过程是在具有特定结构的材料上扩散控制的,而许多具有合适结构的锂离子电池活性材料导电性较差,这对以纤维为基底的储能装置的导电性提出了更高的要求。目前,纤维型锂离子电池通常是将两个纤维电极通过缠绕或并联的方式构建。例如,复旦大学彭慧胜团队提出了一种纤维型锂离子电池的制备方法,通过将排列整齐的碳纳米管纤维和分别起正负电极作用的锂丝缠绕在一起制造了一种微型纤维锂离子电池。为了进一步提高碳纳米管纤维的电化学性能,韩国首尔国立大学Chong Rae Park团队提出了一种简单可行的方法,通过对碳纳米管纱线的合成进行改性来制备柔性的纤维型锂离子电池。用过量的铁催化剂合成的碳纳米管纤维表面通常覆盖着碳层,与碳纳米管相比,碳层的石墨化程度较低,且容易被部分氧化过程去除。同时,暴露在外的残存的铁催化剂易在空气中氧化,并能轻易转化为具有电化学活性的Fe2O3纳米粒子。以含有Fe2O3纳米颗粒的碳纳米管纤维为阳极,LiFePO4涂层碳纳米管纤维为阴极,与凝胶电解质一起组装成长约30cm,直径仅几百微米的纤维锂离子电池。当给LED电子元件供电时,该装置即使在动态弯曲和打结的情况下依然具有优异的储能性能和机械性能。

利用纤维或纱线型锂离子电池通过机织或针织技术织造出的锂离子电池织物可以有效解决储能装置高能量和高功率的需求。目前,碳纳米管纤维或纱线因具有高强度、高导电性、高长径比与良好的柔韧性等特点而被广泛应用于锂离子电池织物。例如,美国马里兰大学王育煌团队提出了一种制备柔性可编织电极的高容量锂离子电池方法,通过CVD法在纤维基上生长垂直排列的碳纳米管,随后在碳纳米管纤维上生长α-Si。结果表明,此类复合纤维具有优异的可纺性,且在织造过程中具有高度的可延伸性,该装置显示出了2200mAh/g的高容量。这种简单、经济、可扩展的电极制备方法为高性能锂离子电池复合电极材料的设计提供了一种新的途径。

更多内容,请关注《纺织导报》2021年第6期“基于二维材料的纤维型储能织物的研究进展”一文。

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