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一种利用微流体静电纺丝法制备的新型柔性储能纳米纤维

发表时间:2020/10/15

近年来,随着科学的发展与技术的不断变革,智能可穿戴设备成为研究热点之一。为满足可穿戴电子产品的供电需求,新能源存储技术在高端智能化可穿戴设备行业的应用备受关注。开发高能量密度的柔性超级电容器(FSCs)成为当今新能源领域面临的巨大挑战之一。



二维硼纳米片的理论比电容比石墨烯高出4倍,是超级电容器电极的首选材料之一。然而,由于其层间电导差、比表面积小、孔隙率低,应用于超级电容器时会严重制约电荷转移、离子扩散及存储,导致其能量密度难以提升。因此,开发具有高孔隙率、大比表面积和高能量密度的新型二维硼基FSCs成为重要的研究课题。




为解决上述问题,南京工业大学的研究团队从设计硼纳米片有序纳微结构入手,利用微流体静电纺丝技术制备了各向异性的硼-碳异质纳米片(ABCNs)纤维织物电极。研究人员基于自下而上的气相剥离和缩合策略,将块状硼间的B—B键打开形成二维硼纳米片,同时,在其中引入B—C化学键,原位桥接氮掺杂碳纳米片,形成硼-碳双层异质纳米片。该纳米片可增强界面耦合,提高电荷转移能力,高效促进离子动力学扩散和存储。


ABCNs的合成原理以及块状硼、硼纳米片、ABCNs的形貌


同时,针对FSCs电极机械柔性差和难以大面积制备的难题,研究人员利用微流体静电纺丝法(与传统静电纺丝相比,可利用流体的层流以及扩散特性动态调控纺丝液的组成与结构),构筑了高柔性和高导电性能的织物电极。以该织物电极构筑的FSCs呈现出超高的储能性,其能量密度达到167.05 mWh/cm3,体积比电容为534.5 F/cm3,为FSCs的可穿戴大形变供电应用提供了基础。


微流体静电纺丝制备的ABCNs纳米复合纤维膜及其性能


基于以上研究,将FSCs与压力传感器集成到织物中,形成可穿戴式储能-传感系统,可实时稳定监测人体的各种生理信号,例如手腕脉搏、心跳、手指、背部和颈部弯曲等信号,为FSCs在可穿戴领域的实际应用提供新途径。


可穿戴式储能-传感系统及其应用


论文链接:https://doi.org/10.1002/anie.202011523


(来源:纺织导报官微)