麻省理工《Adv Mater》：100米长的热拉伸超级电容器纤维！

移动电子设备普遍存在，它们与人体接触，使人们对与纺织品兼容的储能系统产生了浓厚的兴趣。基于纤维的电子产品的最新进展进一步激发了人们对可靠的能量存储系统的需求。超级电容器纤维充电时间短，循环寿命长，功率密度高，有望为基于柔性织物的电子设备供电。然而，迄今为止，仅生产了功能比较欠缺的超级电容器。

为此，来自美国麻省理工学院的Tural Khudiyev等人在《Advanced Materials》上发表题为“100 m长的热拉伸超级电容器纤维，应用于3D打印和纺织品”的文章，如需观看此文相关视频，请关注抖音账号：材料科学网。这项研究的主要目的是介绍一种超级电容器纤维，以解决可扩展性、灵活性、包层抗渗性和整体性能方面的剩余挑战。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202004971

这是通过自上而下的制造方法来实现的，在该方法中，将大型预成型坯热拉成功能齐全的储能纤维。瓶坯由五种成分组成：热可逆多孔电极和电解质凝胶；导电聚合物和铜微线集电器；和密封的覆层。此过程可产生100 m的连续功能性超级电容器纤维，比以前报道的要长几个数量级。除了柔韧性（曲率半径为5 mm），耐湿性（100个洗涤循环）和强度（68 MPa）之外，这些纤维在3.0 V时的能量密度为306μWhcm-2，在13伏时的电容保持率约为100％ 在1.6V下可进行000次循环。为证明这种纤维的用途，它是机织的，并用作3D打印的阻燃剂。如需观看此文视频请关注抖音账号：材料科学网。

图1.热拉伸超级电容器纤维的材料和设计：a）超级电容器纤维拉伸过程的示意图。插图是横截面和侧视图的光学显微镜图像，显示了两个交流电极之间的明显隔离。  b）相对于剪切速率，电解质和交流电极在110°C时的粘度。纤维的110°C温度对应于炉子中约185°C的拉伸温度。  AC电极和电解液的粘度经设计以匹配以防止混合。粘度不匹配的电解质会引起凝胶混合。  c）包括活性炭（AC）凝胶和电解质凝胶的干燥超级电容器纤维的SEM图像。在将覆层材料溶解在环己烷中之后获得SEM图像。d）线轴上有100 m的超级电容器纤维。  e）超级电容器纤维的3D轮廓。比例尺为500 µm。

图2.热拉伸超级电容器纤维的电化学性能。  a）不同电流密度下的恒电流充放电曲线。  b）在2mA cm-2时的长期电容保持（CR）和库仑效率（CE）。  c）电容/能量与纤维长度的关系。电容基于单个电极，而能量基于设备。  d）2 m和100 m超级电容器纤维的奈奎斯特模块。

图3.与先前报道的研究的比较。  a）与现有技术报道的fber电池相比，热拉超级电容器fber的可用能量和面能量密度。红色三角形点是由两个电容为160 V的230 µm×230 µm交流电极（光纤2）制成的超级电容器光纤设备获得的。红色菱形点是由超级电容器光纤设备获得的，该设备由两个360 µm×360 µm AC电极（光纤3）制成，截止电压为3.0V。  b）纤维状超级电容器的循环次数，循环电压和电容保持率比较。

图4.用超级电容器纤维制成的织物和3D打印复合物体：a）在恶劣条件下热拉伸超级电容器纤维的电容保持率；纤维在苛刻的条件下具有完整的功能，例如重复的机械弯曲（1000次循环，弯曲半径为5 mm），100次机洗循环，机后编织以及水下充放电连续1个月，b）充放电曲线 串联和并联连接的光纤；这些纤芯也可以串联或并联连接，以具有所需的电容和电压。c）热拉超级电容纤芯的机织和3D打印示意图；这些纤维可以直接机织或钩编（即    手镯）制成大型纺织品，并进一步与其他基于纤维的设备集成在一起。展示了一种100×15.2 cm2多功能纺织品，其中包含十二个1 m超级电容器（4S3P）和一个3 m发光纤维以及20个分立的发光二极管。热拉伸超级电容器纤维也可以用作3D打印的打印火焰。线轴上拉出的纤维直接转移到打印机喷嘴上，并打印到超级电容器眼镜架中，以定制结构电源解决方案。

总的来说，本文介绍了五组件单元架构，该架构解决了纺织品储能设备的机械、环境、电气和储能需求。本文实现了超级电容器纤维，其最大面能量密度为306 µWh cm−2，可用能量为≈24mWh。最后，原位气密密封可确保耐湿性，从而在充放电循环中具有长期稳定性，并采用非水电解质进行高压操作。在1.6 V电压下进行13 000次循环后，几乎100％的初始电容得以保留。

即使在3D打印、机器编织、水下操作和重复的机械弯曲之后，热拉伸超级电容器纤维仍可以正常工作。将扩展长度的超级电容器纤维和良好的电化学性能整合到各种结构（包括复合材料，纺织品和3D打印介质）中的能力，对需要电力且应将重量保持在最低水平的广泛应用产生了深远影响。（文：SSC）