非织造布电极材料或可为智能可穿戴产品提供新选择

admin 2周前 (11-27) 最新资讯 12 0

智能手环、智能床垫、可充电加热保暖裤……越来越多的智能可穿戴产品如雨后春笋般崛起,但这些产品基本依靠电池、充电宝,或是采用交流电,如何把导电材料做得柔软贴服且将供能装置更加简化,仍然是可穿戴产品亟待解决的问题。



近日,南京工业大学陈苏课题组通过微流体纺丝技术创制出非织造布电极材料,采用该材料构筑的超级电容器或许可以为智能可穿戴产品提供更好的供电选择。

据介绍,微流体纺丝技术是在传统湿法纺丝快速成形的基础上,结合微流体技术的层流效应,制备出微米级纤维的技术,具有很多传统纺丝技术所不具备的优势,是一种无高压电流、节能、安全且操作简便的纤维制备技术。


基于微流体纺丝技术制备黑磷复合纤维非织造布示意图


更特别的是,微流体纺丝技术可利用微流体的扩散和层流效应来控制纺丝液的组成和结构,通过模拟生物纺丝器的运作功能来制备出结构可调、排列规整的微纤维。微流体纺丝技术具有快速传质传热、精确操控、易于并行放大、高度可控的连续化生产等特点,因此被广泛的应用到生物、医疗、能源、国防等领域。


微流体纺丝技术制备黑磷复合纤维非织造布电极示意图以及弯曲性能


该研究团队在导电性较差的黑磷材料层间,通过在二维黑磷(BP)片层原位桥接一维碳纳米管(CNTs),极大地提高了其层间电子传导的效率;而且由于黑磷跟石墨烯一样,层间容易堆积,加入碳纳米管后,有效减轻了黑磷层间堆积,提高了比表面积,增大了离子吸附表面,提高了离子扩散速率及累积量,使黑磷具有较大的离子扩散通道。


(a) 柔性超级电容器的结构原理图

(b) 柔性超级电容器与其他电容器的能量密度对比

(c)三种不同结构电极的电荷分布

(d)三种不同结构电极的电荷精确分布


然后该研究团队将黑磷复合纺丝液通过微流体纺丝技术,牵引、固化、熔合成黑磷微纳复合纤维非织造布电极材料,具备高导电性、高能量密度、优异柔性超级电容器功能。采用该非织造材料构筑的柔性超级电容器具有较高的柔性和变形能力,可以集成到织物里,为可穿戴设备更稳定持久地供能。目前已成功应用在LEDs、智能手表、彩色显示屏等电子器件中。


柔性超级电容器的构筑及应用示意图


陈苏教授介绍说:“采用微流体纺丝技术制成的这种非织造布电极材料,用来构筑的超级电容器,其能量密度是目前基于纤维材料电极超级电容器的最大值,且具有较高的柔性和变形能力,可以集成到织物里,能够实现在形变条件下稳定供能。”


不同弯曲角度下,柔性超级电容器为LEDs的形变供能


柔性超级电容器为智能手表供能


两个电容包串联为彩色显示屏供能


该方法不仅为先进电极材料的设计提供新思路,还极大促进柔性超级电容器在可穿戴电子领域的发展,有望取代微电池并广泛应用于新能源能量存储领域。研究成果已于2018年11月1日发表在《自然·通讯》上(“Microfluidic-spinning construction of black-phosphorus-hybrid microfibres for non-woven fabrics toward a high energy density flexible supercapacitor, 2018, 9: 4573.”Nature Communications)。


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