南工大陈苏团队Angew:微流体气喷纺丝法构筑纤维基超级电容器新进展-汶颢股份
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南工大陈苏团队Angew:微流体气喷纺丝法构筑纤维基超级电容器新进展

原创: 南工大陈苏课题组

第一作者: 程恒洋 ;通讯作者:武观、陈苏       
通讯单位: 南京工业大学论文DOI:10.1002/anie.201911023   

摘要

使用液滴微流控反应的方法,通过组成基元在微液滴限域空间内快速反应,从而连续制备均一有序结构的微-介孔碳骨架纳米杂化电极材料。同时,针对电极力学性能差和难以规模化制备等难题,首次开发微流体气喷纺丝方法,大规模制备具有高导电性和高力学性能的纤维基超级电容器电极材料。

背景介绍

如何用先进有序微结构材料实现新能源器件的高性能化是能源化工领域前沿课题之一。其中,构筑具有高能量密度、大形变稳定供能、高柔性编织、自供能等性能的纤维基超级电容器被寄予厚望,它对促进可穿戴电子产业进步具有重大意义。然而,由于纤维基材料微结构重复性差、难以调控、成分不均一及规模化制备困难等,造成器件中电荷迁移速度慢、累积总量少、能量密度低等缺点,一直是该领域的瓶颈。

本文重点

结合微液滴合成和微流体气喷纺丝方法,实现对纳米杂化电极材料组成和结构的有效调控,以及柔性纤维基超级电容器电极的规模化制备,为柔性可穿戴产业的发展提供新途径。

图文解析

图1. 微流体气喷纺丝机

1. 微流体气喷纺丝机

图2. (a) 微液滴法制备微介孔碳骨架纳米材料示意图;(b) 单个液滴不同反应时间的光学照片。 

2. (a) 微液滴法制备微介孔碳骨架纳米材料示意图;(b) 单个液滴不同反应时间的光学照片。

图3. (a) 微流控气喷法大规模制备柔性纤维基电极示意图;(b~d) 不同纺丝液中活性材料含量(3wt %,5wt %,8 wt %)制备得到纤维的直径分布图;(e) 不同纺丝液浓度纤维电极的平均直径、电导率与延伸率的关系;(f) 所制备的柔性纤维基电极照片和纤维的SEM图像。 

3. (a) 微流控气喷法大规模制备柔性纤维基电极示意图;(b~d) 不同纺丝液中活性材料含量(3wt %,5wt %,8 wt %)制备得到纤维的直径分布图;(e) 不同纺丝液浓度纤维电极的平均直径、电导率与延伸率的关系;(f) 所制备的柔性纤维基电极照片和纤维的SEM图像。

图4 

4. (a) 超级电容器的构筑及其应用示意图;(b) 不同组分构筑的电极结构示意图,基于 MOFs 得到的碳多面体单层化学结构示意图;(c) 不同电极组装的超级电容器的 CV 循环曲线图;(d) 不同电极组装的超级电容器的充放电曲线图;(e) 不同电极组装的超级电容器的比电容值;(f) 不同电极组装的超级电容器的阻抗分析。

图5 

5. (a) 超级电容器不同弯曲角度下的电容保留率;(b) 超级电容器不同形变下的充放电曲线图;(c) 柔性超级电容器嵌于织物实现对智能衣物供能;(d) 柔性超级电容器结合太阳能电池得到的自供能系统。

总结与展望

本工作创新性地将微液滴合成方法与微流体气喷纺丝技术结合,实现对多孔结构导电纳米材料组成和结构的有效调控,以及柔性纤维电极的规模化制备。该方法简单、高效,对于规模化制备柔性导电纤维材料以及其在可穿戴器件方面的应用具有指导意义。

课题组介绍课题组网站链接:https://www.x-mol.com/groups/su_chen
文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/anie.201911023

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