鉴于人工智能和低空经济的快速发展，小型化储能系统的开发日益重要。石墨烯烯碳纤维（GCF）超级电容器具有经济环保、轻质、机械性能好、充放电速度快等优点，成为一种有前景的电力存储方式，尤其在柔性可穿戴电子纺织品和便携式电子产品领域。然而，由于高度取向的石墨烯片层之间固有的π-π堆积吸引力、范德华力和疏水性，它们会发生团聚，导致离子传输能力不佳。此外，超级电容器有限的工作电压窗口和相对较低的能量密度阻碍了它们的大规模实际应用。因此，人们尝试在GCF上构建蓬松褶皱或多孔结构，并通过水热法、电沉积法、溶胶-凝胶法、涂层沉积法、芯片上书写法、浇铸法、湿纺法和干纺法等在GCF中分散电化学活性材料以提高电学性能。然而，实现电化学活性物质在GCF中的均匀混合依然是一个难题。因此，开发先进的电化学活性物质/GCF杂化材料微流控纺丝化学合成技术，实现杂化材料均匀混合，提高GCF的能量密度并实现连续生产，同时又不降低GCF的力学性能，已引起学者关注。

针对上述问题，南京工业大学化工学院、材料化学工程全国重点实验室陈苏教授、朱亮亮教授等提出了一种创新的微流控纺丝化学（MSC）方法，用于原位构建钼酸镍/多孔石墨烯烯碳纤维（NiMoO4/PGCF）复合材料（图1, 图2, 图3）。MSC方法的特点在于，通过调节微通道中的超声作用、混合组分的比例、流速、流型以及微通道中的热自组装过程，促使Ni2+和Mo7O246−均匀混合并反应生成具有显著法拉第活性的NiMoO4，并使NiMoO4在每片氧化石墨烯（GO）上均匀有序生长。在之后的高温退火（900 oC）条件下，使尿素分解，得到均匀多孔的PGCF结构。NiMoO4与PGCF纳米片之间的协同相互作用赋予了NiMoO4/PGCF复合材料独特的结构和卓越的电化学性能，包括相互连接的多孔网络、优异的循环稳定性和良好的导电性（图4, 图5）。NiMoO4/PGCF复合材料的比表面积（SSA）为433.77 m2/g，机械强度为232 MPa，电导率 7698 S/m，在三电极体系中的面积比电容为3597.7 mF/cm2，比容量为1006.8 mF/cm2（全固态柔性超级电容器），能量密度为 218.5 μWh/cm2，在 1 mA/cm2的电流密度下经过20000次循环后电容保持率为90.2%。

图 1.微流控旋转湿法纺丝机

图 2. NiMoO4/PGC的合成与应用示意图

图 3.NiMoO4/PGCF的表面SEM图像

图4.采用3 M KOH电解液的三电极体系电化学性能测试结果

图5.柔性固态NiMoO4/PGCF超级电容器的电化学性能

基于其优异的性能，本研究设计了一个芯片式超级电容器装置用于驱动风车旋转（图6a, b）。此外，还设计了一个以三极管为开关控制器的集成电路，耦合固态NiMoO4/PGCF超级电容器，进一步验证其应用潜力。该超级电容控制系统被安装在滑翔式无人机（长38cm，宽30cm）上以实现起飞控制，系统实物照片与示意图清晰展示了NiMoO4/PGCF超级电容器的连接位置及方式（图6c-e）。如图6f所示，超级电容器正负极分别连接三极管的基极和发射极，正极与基极间串联可变电阻（R），通过调节阻值确保超级电容有效驱动三极管导通。当超级电容器充电电压超过0.7 V时，触发三极管导通并放大电路电流，驱动电机高速旋转，使滑翔无人机在2.5秒内完成滑跑起飞（图6g, h）。随着超级电容电压从0.9 V升至1.2 V，无人机最大攀升高度呈现非线性增长，从地面（0cm）依次提升至45cm直至130cm。反之，当超级电容电压低于0.7V时，三极管进入截止状态，无人机依靠气动特性自主降落。该开关控制器通过NiMoO4/PGCF超级电容器与三极管的协同效应，以极简硬件实现了滑翔无人机的高效启停控制，在成本、可靠性和安全性方面展现出显著优势。其意义不仅在于技术简化，更开拓了滑翔无人机在极端场景（如GPS拒止环境下的安全冗余）应用的新可能，同时为能源管理与控制系统设计提供了创新思路。这些成果凸显了超级电容器在智能电子设备和低空经济等实际应用中的重要潜力。

该研究成果于近日以“Microfluidic-spinning-chemistry strategy toward in-situ generation of high-performance nickel molybdate/porous graphene carbonene fiber-based supercapacitors“为题发表在《Advanced Energy Materials》上。

（来源：高分子科学前沿）