近日，東華大學(xué)紡織學(xué)院產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心陳南梁教授團(tuán)隊(duì)與廈門(mén)大學(xué)劉向陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)合作在柔性可拉伸超級(jí)電容器領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以《不可拉伸的金屬纖維編織成可拉伸的混合型超級(jí)電容器》（Making Stretchable Hybrid Supercapacitors by Knitting Non-Stretchable Metal Fibers）為題， 發(fā)表于國(guó)際知名期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）。該論文第一作者為紡織學(xué)院17級(jí)博士生邵光偉，紡織學(xué)院陳南梁教授、廈門(mén)大學(xué)劉向陽(yáng)教授、葉美丹副教授為通訊作者。
超級(jí)電容器，特別是可拉伸全固態(tài)超級(jí)電容器，由于其在可穿戴電子領(lǐng)域的潛在應(yīng)用性而受到廣泛關(guān)注?？衫斐?jí)電容器不但具有功率密度高、充放電速度快和循環(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)異的電化學(xué)性能，而且還有出色的機(jī)械性能，特別是優(yōu)秀的可拉伸性、拉伸回復(fù)性和機(jī)械穩(wěn)定性等。作為制備可拉伸超級(jí)電容器的關(guān)鍵材料，可拉伸電極基底可以分為兩種類(lèi)型：
（1）以本征彈性聚合物材料為基材制備可拉伸電極，然而這類(lèi)電極材料存在低效能、電阻高、透氣性差等缺點(diǎn)；
（2）具有可拉伸結(jié)構(gòu)的電極材料，這類(lèi)電極表現(xiàn)出較低的拉伸回復(fù)性，限制了其實(shí)際應(yīng)用。因此，研制出兼具高導(dǎo)電性和良好拉伸回復(fù)性的可拉伸電極基底仍然是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。
針對(duì)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)選擇與頭發(fā)絲相當(dāng)直徑的不銹鋼纖維為原料，通過(guò)經(jīng)編的方法編織成具有二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不銹鋼經(jīng)編網(wǎng)（SSM）。這種網(wǎng)不但具有高的電導(dǎo)率而且還具有優(yōu)秀的拉伸性和拉伸回復(fù)性。通過(guò)水熱法在不銹鋼網(wǎng)表面生長(zhǎng)出具有納米結(jié)構(gòu)的金屬硫化物作為電極材料。基于SSM的可拉伸固態(tài)混合超級(jí)電容器被組裝制備，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能、機(jī)械性能和穩(wěn)定性。進(jìn)一步地，將組裝的可拉伸超級(jí)電容器縫在肘部的衣服處來(lái)驅(qū)動(dòng)一只LED燈泡。在肘部反復(fù)的彎曲和伸直過(guò)程中，LED仍然保持著明亮，從而直接證明了我們所設(shè)計(jì)的基于不銹鋼網(wǎng)的可拉伸超級(jí)電容器具有在可穿戴電子領(lǐng)域的高適用性。
圖1展示了不銹鋼網(wǎng)的微觀、宏觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及不銹鋼網(wǎng)在編織機(jī)上的狀態(tài)。不銹鋼網(wǎng)由一個(gè)個(gè)不銹鋼纖維組成的線(xiàn)圈相互串套在一起組成的，因此具有優(yōu)異的拉伸性和拉伸回復(fù)性。
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以NiCo2S4/CoS2@SSM為正極材料，AC@SSM為負(fù)極材料和PVA/KOH凝膠電解質(zhì)組裝成混合型超級(jí)電容器，并對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，圖2展示了組裝的器件具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。
與已有報(bào)道的超級(jí)電容器對(duì)比發(fā)現(xiàn)，我們制備的超級(jí)電容器表現(xiàn)出較高的能量密度，優(yōu)秀的拉伸回復(fù)性，高拉伸循環(huán)穩(wěn)定性和電化學(xué)性能穩(wěn)定。高機(jī)械強(qiáng)度和韌性的SSM提供了器件顯著的靈活性，SSM基底直接作為集流器，降低了整個(gè)器件的電阻。
圖3展示了團(tuán)隊(duì)制備的可拉伸超級(jí)電容器器件具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，能夠驅(qū)動(dòng)由40個(gè)燈泡組成的“DHU”圖案。同時(shí)，在多種可穿戴應(yīng)用場(chǎng)景下的各種電化學(xué)穩(wěn)定性及具體應(yīng)用案例，結(jié)果直接證明了器件在可穿戴電子器件中具有較高的應(yīng)用潛力。
在此工作中，我們編織了一種新穎的SSM作為基底制備可拉伸超級(jí)電容器。與普通金屬織物的剛性相反，具有典型二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的SSM表現(xiàn)出優(yōu)異的柔軟性、拉伸性、拉伸回復(fù)性等力學(xué)性能和高導(dǎo)電性。與同類(lèi)型器件對(duì)比，我們組裝的器件表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能和機(jī)械性能，滿(mǎn)足可穿戴要求。研究結(jié)果表明，這是目前所報(bào)道的首個(gè)真正意義上的基于金屬材料的可拉伸儲(chǔ)能器件。該成果的突破，打破了人們的思維慣性，為柔性?xún)?chǔ)能器件提供了新的設(shè)計(jì)思路。
上述研究成果得到了東華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金等項(xiàng)目資助。
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