如何用先進有序微結構材料實現新能源器件的高性能化是能源化工領域前沿課題之一。其中,構筑具有高能量密度、大形變穩定供能、高柔性編織、自供能等性能的纖維基超級電容器被寄予厚望,它對促進可穿戴電子產業進步具有重大意義。然而,由于纖維基材料微結構重復性差、難以調控、成分不均一及規模化制備困難等,造成器件中電荷遷移速度慢、累積總量少、能量密度低等缺點,一直是該領域的瓶頸。


針對上述科學問題,南京工業大學化工學院、材料化學工程國家重點實驗室陳蘇教授、武觀副教授等人,首次使用液滴微流控反應的方法,通過組成基元在微液滴限域空間內快速反應,從而連續制備均一有序結構的微-介孔碳骨架納米雜化電極材料。使其在微液滴反應器中快速傳質、傳熱,實現MOFs(ZIF-8)、石墨烯和碳納米管快速有效組裝反應,退火后制備的碳骨架納米雜化材料具有良好的孔結構(孔徑0.86nm)、大的比表面積(1206 m2g-1)和豐富的氮含量(10.63%)。


再者,針對電極力學性能差和難以規模化制備等難題,首次開發微流體氣噴紡絲方法(微流體氣噴紡絲機由南京捷納思新材料有限公司提供),大規模制備具有高導電性(236 S m-1)和高力學性能(楊氏模量235.2 Mpa,斷裂伸長率43.1%)的纖維基超級電容器電極材料。以此構筑的纖維基超級電容器表現出優異的電化學性能,如高能量密度(147.5 mWh cm-3)、大比電容(472 F cm-3)、穩定形變供能和自供能的特性,為柔性可穿戴產業的發展提供新途徑。該研究成果于近日發表在國際重要刊物《Angewandte Chemie International Edition》上。(Hierarchical Micro-MesoporousCarbon Frameworks-Based Hybrid Nanofibres for High-DenseCapacitive Energy Storage, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, DOI:10.1002/anie.201911023)。南京工業大學博士研究生程恒洋為第一作者。

南工大新方法構筑纖維基超級電容器 開辟柔性可穿戴產業發展新途徑

圖1. 微流體氣噴紡絲機(南京捷納思新材料有限公司提供)。

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圖2. (a)微液滴法制備微介孔碳骨架納米材料示意圖;(b) 單個液滴不同反應時間的光學照片。

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圖3. (a)微流控氣噴法大規模制備柔性纖維基電極示意圖;(b——d) 不同紡絲液中活性材料含量(3wt%,5wt%,8 wt%)制備得到纖維的直徑分布圖;(e) 不同紡絲液濃度纖維電極的平均直徑、電導率與延伸率的關系;(f)所制備的柔性纖維基電極照片和纖維的SEM圖像。

南工大新方法構筑纖維基超級電容器 開辟柔性可穿戴產業發展新途徑

圖4. (a) 超級電容器的構筑及其應用示意圖;(b) 不同組分構筑的電極結構示意圖,基于MOFs得到的碳多面體單層化學結構示意圖;(c)不同電極組裝的超級電容器的CV循環曲線圖;(d) 不同電極組裝的超級電容器的充放電曲線圖;(e)不同電極組裝的超級電容器的比電容值;(f) 不同電極組裝的超級電容器的阻抗分析。

南工大新方法構筑纖維基超級電容器 開辟柔性可穿戴產業發展新途徑

圖5. (a)超級電容器不同彎曲角度下的電容保留率;(b)超級電容器不同形變下的充放電曲線圖;(c)柔性超級電容器嵌于織物實現對智能衣物供能;(d)柔性超級電容器結合太陽能電池得到的自供能系統。


該研究成果獲得審稿人高度評價:“This manuscript demonstrates an interesting study on "Hierarchical Porous Carbon Hybrid Nanofibres for Capacitive Energy Storage", which is of great interests to be applied into wearable devices. The proposed research work is well designed and organized with comprehensive materials characterization anddevice evaluation.”


該課題得到了國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計劃、國家青年基金、江蘇省高校優勢學科建設工程、材料化學工程國家重點實驗室等基金的資助和支持。


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