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。


针对上述科学问题,南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授、武观副教授等人,首次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。使其在微液滴反应器中快速传质、传热,实现MOFs(ZIF-8)、石墨烯和碳纳米管快速有效组装反应,退火后制备的碳骨架纳米杂化材料具有良好的孔结构(孔径0.86nm)、大的比表面积(1206 m2g-1)和丰富的氮含量(10.63%)。


再者,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(微流体气喷纺丝机由南京捷纳思新材料有限公司提供),大规模制备具有高导电性(236 S m-1)和高力学性能(杨氏模量235.2 Mpa,断裂伸长率43.1%)的纤维基超级电容器电极材料。以此构筑的纤维基超级电容器表现出优异的电化学性能,如高能量密度(147.5 mWh cm-3)、大比电容(472 F cm-3)、稳定形变供能和自供能的特性,为柔性可穿戴产业的发展提供新途径。该研究成果于近日发表在国际重要刊物《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)。南京工业大学博士研究生程恒洋为第一作者。

南工大新方法构筑纤维基超级电容器 开辟柔性可穿戴产业发展新途径

万博平台代理 图1. 微流体气喷纺丝机(南京捷纳思新材料有限公司提供)。

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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。

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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。

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图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。

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图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。


该研究成果获得审稿人高度评价:“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.”


该课题得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、国家青年基金、江苏省高校优势学科建设工程、材料化学工程国家重点实验室等基金的资助和支持。


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