近日，東華大學(xué)紡織學(xué)院產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心陳南梁教授團隊與廈門大學(xué)劉向陽教授團隊合作在柔性可拉伸超級電容器領(lǐng)域取得重要進展，相關(guān)成果以《不可拉伸的金屬纖維編織成可拉伸的混合型超級電容器》（Making Stretchable Hybrid Supercapacitors by Knitting Non-Stretchable Metal Fibers）為題， 發(fā)表于國際知名期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）。該論文第一作者為紡織學(xué)院17級博士生邵光偉，紡織學(xué)院陳南梁教授、廈門大學(xué)劉向陽教授、葉美丹副教授為通訊作者。
超級電容器，特別是可拉伸全固態(tài)超級電容器，由于其在可穿戴電子領(lǐng)域的潛在應(yīng)用性而受到廣泛關(guān)注?？衫斐夒娙萜鞑坏哂泄β拭芏雀?、充放電速度快和循環(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)異的電化學(xué)性能，而且還有出色的機械性能，特別是優(yōu)秀的可拉伸性、拉伸回復(fù)性和機械穩(wěn)定性等。作為制備可拉伸超級電容器的關(guān)鍵材料，可拉伸電極基底可以分為兩種類型：
（1）以本征彈性聚合物材料為基材制備可拉伸電極，然而這類電極材料存在低效能、電阻高、透氣性差等缺點；
（2）具有可拉伸結(jié)構(gòu)的電極材料，這類電極表現(xiàn)出較低的拉伸回復(fù)性，限制了其實際應(yīng)用。因此，研制出兼具高導(dǎo)電性和良好拉伸回復(fù)性的可拉伸電極基底仍然是一個極大的挑戰(zhàn)。
針對這一問題，研究團隊選擇與頭發(fā)絲相當(dāng)直徑的不銹鋼纖維為原料，通過經(jīng)編的方法編織成具有二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不銹鋼經(jīng)編網(wǎng)（SSM）。這種網(wǎng)不但具有高的電導(dǎo)率而且還具有優(yōu)秀的拉伸性和拉伸回復(fù)性。通過水熱法在不銹鋼網(wǎng)表面生長出具有納米結(jié)構(gòu)的金屬硫化物作為電極材料。基于SSM的可拉伸固態(tài)混合超級電容器被組裝制備，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能、機械性能和穩(wěn)定性。進一步地，將組裝的可拉伸超級電容器縫在肘部的衣服處來驅(qū)動一只LED燈泡。在肘部反復(fù)的彎曲和伸直過程中，LED仍然保持著明亮，從而直接證明了我們所設(shè)計的基于不銹鋼網(wǎng)的可拉伸超級電容器具有在可穿戴電子領(lǐng)域的高適用性。
圖1展示了不銹鋼網(wǎng)的微觀、宏觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及不銹鋼網(wǎng)在編織機上的狀態(tài)。不銹鋼網(wǎng)由一個個不銹鋼纖維組成的線圈相互串套在一起組成的，因此具有優(yōu)異的拉伸性和拉伸回復(fù)性。
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以NiCo2S4/CoS2@SSM為正極材料，AC@SSM為負極材料和PVA/KOH凝膠電解質(zhì)組裝成混合型超級電容器，并對其電化學(xué)性能進行測試，圖2展示了組裝的器件具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。
與已有報道的超級電容器對比發(fā)現(xiàn)，我們制備的超級電容器表現(xiàn)出較高的能量密度，優(yōu)秀的拉伸回復(fù)性，高拉伸循環(huán)穩(wěn)定性和電化學(xué)性能穩(wěn)定。高機械強度和韌性的SSM提供了器件顯著的靈活性，SSM基底直接作為集流器，降低了整個器件的電阻。
圖3展示了團隊制備的可拉伸超級電容器器件具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，能夠驅(qū)動由40個燈泡組成的“DHU”圖案。同時，在多種可穿戴應(yīng)用場景下的各種電化學(xué)穩(wěn)定性及具體應(yīng)用案例，結(jié)果直接證明了器件在可穿戴電子器件中具有較高的應(yīng)用潛力。
在此工作中，我們編織了一種新穎的SSM作為基底制備可拉伸超級電容器。與普通金屬織物的剛性相反，具有典型二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的SSM表現(xiàn)出優(yōu)異的柔軟性、拉伸性、拉伸回復(fù)性等力學(xué)性能和高導(dǎo)電性。與同類型器件對比，我們組裝的器件表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能和機械性能，滿足可穿戴要求。研究結(jié)果表明，這是目前所報道的首個真正意義上的基于金屬材料的可拉伸儲能器件。該成果的突破，打破了人們的思維慣性，為柔性儲能器件提供了新的設(shè)計思路。
上述研究成果得到了東華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金等項目資助。
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