柔性可穿戴器件對(duì)未來(lái)穿戴帶來(lái)變革發(fā)展

柔性可穿戴器件以其輕質(zhì)、靈活柔韌和智能高效等特點(diǎn)將對(duì)未來(lái)穿戴帶來(lái)變革發(fā)展。在眾多柔性穿戴器件中纖維狀微型超級(jí)電容器是最具潛力的儲(chǔ)能器件。然而，目前所制備的導(dǎo)電纖維材料難以滿足超級(jí)電容器的要求，很難獲得電化學(xué)性能和機(jī)械性能兼俱佳的器件，特別是導(dǎo)電微納纖維材料的大規(guī)模有序制備也是該領(lǐng)域挑戰(zhàn)性研究課題之一。

圖1. a) 碳量子點(diǎn)和石墨烯之間形成“Dot-Sheet”結(jié)構(gòu)的示意圖；b)微流控紡絲技術(shù)制備CDs/Graphene纖維示意圖；c) CDs/Graphene纖維超級(jí)電容器為電子設(shè)備供能示意圖。

據(jù)悉，南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、化工學(xué)院陳蘇教授團(tuán)隊(duì)從設(shè)計(jì)多孔結(jié)構(gòu)材料入手，利用微流體紡絲機(jī)均勻成絲、大面積制備纖維為導(dǎo)向，以納米碳量子點(diǎn)等材料摻雜和限域微通道內(nèi)自組裝成孔為手段，構(gòu)筑了高機(jī)械強(qiáng)度、高能量密度輸出、具有柔性穿戴應(yīng)用前景的碳量子點(diǎn)/石墨烯(CDs/Graphene)纖維超級(jí)電容器。

圖2. a)微流體紡絲技術(shù)制備CDs/Graphene納米復(fù)合纖維的過(guò)程圖；b-d) CDs/Graphene纖維的電鏡圖；e) CDs/Graphene纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；f-g) CDs/Graphene纖維柔性編織和彎曲圖。

該研究成果以“Enriched Carbon Dots/Graphene Microfibers towards High-Performance Micro-Supercapacitors”為題并作為封底發(fā)表在國(guó)際材料領(lǐng)域的重要刊物Journal of Materials Chemistry A，2018, 6, 14112–14119上。

圖3. CDs/Graphene纖維超級(jí)電容器基于全固態(tài)酸性電解質(zhì)（H3PO4/PVA）的電化學(xué)性能。

該研究成果利用國(guó)內(nèi)南京捷納思微流體紡絲機(jī)大規(guī)模制備碳量子點(diǎn)/石墨烯（CDs/Graphene）納米復(fù)合纖維（圖1、附圖2）。其設(shè)備可高效制備出有序微納結(jié)構(gòu)纖維，在微流體限域通道內(nèi)，親水性的納米碳量子點(diǎn)和石墨烯通過(guò)氫鍵和脫水-縮合作用自組裝橋連形成“Dot-Sheet”結(jié)構(gòu)，從而提高了納米復(fù)合纖維的機(jī)械性能和電化學(xué)性能。碳量子點(diǎn)的加入，使得CDs/Graphene納米復(fù)合纖維表現(xiàn)出更寬的孔結(jié)構(gòu)分布（1.2~95.3 nm）、更高的比表面積（從245.6 m^2 g^-1提高至435.1 m^2 g^-1）和機(jī)械強(qiáng)度（從39.87 MPa提高至109.9 MPa）（圖2）。

圖4. CDs/Graphene纖維超級(jí)電容器基于全固態(tài)有機(jī)離子液體電解質(zhì)（EMIBF4/PVDF-HFP）的電化學(xué)性能。

CDs/Graphene納米復(fù)合纖維構(gòu)筑的超級(jí)電容器具有更優(yōu)異的電化學(xué)儲(chǔ)能性能：基于H3PO4/PVA的固態(tài)酸性電解質(zhì)中（圖3），如更高的比電容（從205 mF cm^-2提高至607 mF cm^-2）、高循環(huán)穩(wěn)定性（10,000次）和彎曲穩(wěn)定性（2,000次）；基于有機(jī)離子液體電解質(zhì)（EMIBF4/PVDF-HFP）（圖4），如更高的比電容（從80 mF cm^-2提高至215 mF cm^-2），極高的能量密度（67.37~46.67 μWh cm^-2）和功率密度（1.5~15 mW cm^-2）。

圖5. CDs/Graphene纖維電容器的機(jī)理分析。

碳量子點(diǎn)的加入顯著提高了比表面積的利用率（高達(dá)96%），通過(guò)理論分析和模擬計(jì)算（離子液體電解質(zhì)體系），碳量子點(diǎn)對(duì)電容的貢獻(xiàn)率高達(dá)22.1%（圖5）。該微流控紡絲技術(shù)不僅可以大規(guī)模生產(chǎn)纖維，還賦予纖維較高的柔性和可編織性，從而可將CDs/Graphene纖維狀電容器集成到柔性基底和織物中，成功的實(shí)現(xiàn)了為眾多電子設(shè)備供能比如：WLEDs、小型紅綠燈和智能手表（圖6）。

圖6. CDs/Graphene纖維電容器為電子器件供能的應(yīng)用。