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【集萃網(wǎng)觀察】

近年來，與傳統(tǒng)的超級電容器類似，纖維型超級電容器可通過電極表面或內(nèi)部孔隙電解質(zhì)離子的可逆吸附的電化學(xué)雙電層電容儲存電能，以及通過表面法拉第氧化還原反應(yīng)或電極表面的離子嵌入/脫出來存儲贗電容。目前，現(xiàn)有的柔性儲能裝置包括超級電容器、鋰離子電池、鋰硫電池、鋰空電池、鋅空電池和鋁空電池等。

超級電容器是一種能快速充放電的功率器件，其效率接近100%，具有優(yōu)異的功率性能、良好的可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性。近年來，超級電容器因其優(yōu)異的電化學(xué)性能被廣泛用于柔性可穿戴電子設(shè)備的儲能裝置。根據(jù)基底和結(jié)構(gòu)的不同，纖維型超級電容器的直徑從微米到毫米不等。由天然棉纖維/紗線或合成纖維制成的傳統(tǒng)紡織品本質(zhì)上是不導(dǎo)電的，因此制備纖維超級電容器的關(guān)鍵是賦予這些柔性基底優(yōu)異的導(dǎo)電性。例如，華中科技大學(xué)高義華團(tuán)隊(duì)制備出了基于棉紗的可穿戴紗線超級電容器。該裝置采用浸漬干燥工藝在棉線表面包覆了一層單壁碳納米管（SWCNTs）。由于它們較強(qiáng)的相互作用，棉紗被SWCNTs緊密包覆，所得棉線具有高導(dǎo)電性。此外，還通過電沉積法在SWCNT涂層棉線上生長了納米MnO2和PPy薄膜。MnO2是主要的活性物質(zhì)，PPy同時對該裝置的電導(dǎo)率和贗電容有所貢獻(xiàn)。所獲得的PPy－MnO2－CNT棉線納米結(jié)構(gòu)具有良好的電化學(xué)性能，2000次充放電循環(huán)后，掃描速率為1mV/s，面積電容量為1.49F/cm2，其電容量保持率為87%。同時，對于超級電容器結(jié)構(gòu)和功能的多樣性研究也具有重要意義。復(fù)旦大學(xué)彭慧勝團(tuán)隊(duì)基于聚苯胺的氧化還原反應(yīng)制備了一種電致變色纖維型超級電容器。該裝置是將排列好的碳納米管纏繞在彈性橡膠芯上，然后將聚苯胺電沉積到碳納米管上制成電極，用H3PO4－PVA凝膠電解質(zhì)進(jìn)一步浸泡電極，制備出纖維型超級電容器。該裝置在充電和放電過程中表現(xiàn)出較好的響應(yīng)性和可逆的色躍遷。

相比于單根器件結(jié)構(gòu)，通過針織或機(jī)織的方式制成的超級電容器織物能展現(xiàn)更高的能量密度和功率密度。例如，浙江大學(xué)高超團(tuán)隊(duì)提出了一種包芯濕紡的組裝策略，用于編織結(jié)構(gòu)松散的超級電容器包芯織物。

纖維型鋰離子電池

鋰離子電池通常由陰極、陽極和電解液組成。與超級電容器表面控制機(jī)制不同的是，鋰離子嵌入/脫出的電化學(xué)過程是在具有特定結(jié)構(gòu)的材料上擴(kuò)散控制的，而許多具有合適結(jié)構(gòu)的鋰離子電池活性材料導(dǎo)電性較差，這對以纖維為基底的儲能裝置的導(dǎo)電性提出了更高的要求。目前，纖維型鋰離子電池通常是將兩個纖維電極通過纏繞或并聯(lián)的方式構(gòu)建。例如，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝團(tuán)隊(duì)提出了一種纖維型鋰離子電池的制備方法，通過將排列整齊的碳納米管纖維和分別起正負(fù)電極作用的鋰絲纏繞在一起制造了一種微型纖維鋰離子電池。為了進(jìn)一步提高碳納米管纖維的電化學(xué)性能，韓國首爾國立大學(xué)Chong Rae Park團(tuán)隊(duì)提出了一種簡單可行的方法，通過對碳納米管紗線的合成進(jìn)行改性來制備柔性的纖維型鋰離子電池。用過量的鐵催化劑合成的碳納米管纖維表面通常覆蓋著碳層，與碳納米管相比，碳層的石墨化程度較低，且容易被部分氧化過程去除。同時，暴露在外的殘存的鐵催化劑易在空氣中氧化，并能輕易轉(zhuǎn)化為具有電化學(xué)活性的Fe2O3納米粒子。以含有Fe2O3納米顆粒的碳納米管纖維為陽極，LiFePO4涂層碳納米管纖維為陰極，與凝膠電解質(zhì)一起組裝成長約30cm，直徑僅幾百微米的纖維鋰離子電池。當(dāng)給LED電子元件供電時，該裝置即使在動態(tài)彎曲和打結(jié)的情況下依然具有優(yōu)異的儲能性能和機(jī)械性能。

利用纖維或紗線型鋰離子電池通過機(jī)織或針織技術(shù)織造出的鋰離子電池織物可以有效解決儲能裝置高能量和高功率的需求。目前，碳納米管纖維或紗線因具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、高長徑比與良好的柔韌性等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于鋰離子電池織物。例如，美國馬里蘭大學(xué)王育煌團(tuán)隊(duì)提出了一種制備柔性可編織電極的高容量鋰離子電池方法，通過CVD法在纖維基上生長垂直排列的碳納米管，隨后在碳納米管纖維上生長α－Si。結(jié)果表明，此類復(fù)合纖維具有優(yōu)異的可紡性，且在織造過程中具有高度的可延伸性，該裝置顯示出了2200mAh/g的高容量。這種簡單、經(jīng)濟(jì)、可擴(kuò)展的電極制備方法為高性能鋰離子電池復(fù)合電極材料的設(shè)計(jì)提供了一種新的途徑。