陕西师大刘宗怀、何学侠《AFM》：兼具柔性和电容性能的全温度全固态超级电容器

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随着便携式、可穿戴式储能器件的广泛应用和快速发展，人们设计并制备了许多具有优异力学性能和电容性能的功能纤维，如碳基纤维电极、赝电容纳米颗粒杂化纤维和本征导电聚合物纤维，并使用这些功能纤维电极组装了相应的纤维超级电容器（FSCs）。然而，采用这些功能性纤维组装的FSC存在两个主要问题需要解决，一是如何提高低能量密度，二是如何平衡电容和力学性能。

MXenes是典型的二维金属碳化物或氮化物，由于其兼具优异的电化学、电学和力学性能，因此在便携式和可穿戴式储能器件中显示出广泛的应用前景。湿法纺丝技术是一种简单但有效的方法，可以制备具有金属水平的功能性纤维。此前，已有报道通过引入某些液晶相材料以在特定的凝结介质中湿法纺丝来辅助Ti₃C₂T_x纳米片（NSs）制备Ti₃C₂T_x基杂化纤维电极。不幸的是，制备的Ti₃C₂T_x基杂化纤维通常会牺牲柔性以提高电容，或者相反，对于杂化纤维或由这些纤维组装而成的器件，电容性能和柔性之间的最佳平衡仍然很困难。此外，由MXene基纤维电极组装的FSC器件在室温下通常表现出较高的器件性能，而在恶劣的环境中，特别是在严寒或炎热的条件下，器件性能会严重下降。因此，迫切需要开发在宽温度范围内由MXene基纤维电极组装的全温FSCs器件。

鉴于此，陕西师范大学刘宗怀教授、何学侠教授将芳纶纳米纤维（ANF）作为功能添加剂和层状Ti₃C₂T_x纳米片作为组装单元，采用湿法纺丝在0.5 m FeCl₂溶液的凝固浴中制备了具有高电容性能和优良柔性的Ti₃C₂T_x/ANF（T/A）杂化纤维。并组装了以蒙脱土薄片/聚乙烯醇有机水凝胶（F-MMT/PVA OHGE）为电解质和隔膜以及Ti₃C₂T_x/ANF（T/A）杂化纤维为电极的全温度全固态柔性对称纤维超级电容器。

文章亮点：

1、ANF量为5%的T/A-5杂化纤维不仅在3 m H₂SO₄电解质中具有良好的比容量807 F cm⁻³，而且具有104 MPa的优越拉伸强度和1025 S cm⁻¹的高导电性。2、组装的全温度全固态对称柔性FSC在室温下，电流密度为0.25 A cm⁻³时显示295 F cm⁻³的比电容，在电流密度为5 A cm⁻³下充放电循环10000次后，电容保持率为91%，在电流密度为0.25 A cm⁻³时，最大体积能密度可达26.2 mWh cm⁻³，并且具有显著的柔性。

3、组装的FSC在−40-80°C的宽温度范围内显示出良好的柔性和出色的电容，并且在不同程度弯曲后其电化学性能不会改变。

图1 制备及结构表征

图2 T/A杂化纤维的电化学性能和力学性能

图3 全固态对称柔性FSC在不同温度下的性能

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202010944

来源：高分子科学前沿

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