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南工大新方法構(gòu)筑纖維基超級(jí)電容器 開(kāi)辟柔性可穿戴產(chǎn)業(yè)發(fā)展新途徑

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:938次  |  2019年11月06日  

如何用先進(jìn)有序微結(jié)構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)新能源器件的高性能化是能源化工領(lǐng)域前沿課題之一。其中,構(gòu)筑具有高能量密度、大形變穩(wěn)定供能、高柔性編織、自供能等性能的纖維基超級(jí)電容器被寄予厚望,它對(duì)促進(jìn)可穿戴電子產(chǎn)業(yè)進(jìn)步具有重大意義。然而,由于纖維基材料微結(jié)構(gòu)重復(fù)性差、難以調(diào)控、成分不均一及規(guī)?;苽淅щy等,造成器件中電荷遷移速度慢、累積總量少、能量密度低等缺點(diǎn),一直是該領(lǐng)域的瓶頸。


針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題,南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院、材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳蘇教授、武觀副教授等人,首次使用液滴微流控反應(yīng)的方法,通過(guò)組成基元在微液滴限域空間內(nèi)快速反應(yīng),從而連續(xù)制備均一有序結(jié)構(gòu)的微-介孔碳骨架納米雜化電極材料。使其在微液滴反應(yīng)器中快速傳質(zhì)、傳熱,實(shí)現(xiàn)MOFs(ZIF-8)、石墨烯和碳納米管快速有效組裝反應(yīng),退火后制備的碳骨架納米雜化材料具有良好的孔結(jié)構(gòu)(孔徑0.86nm)、大的比表面積(1206m2g-1)和豐富的氮含量(10.63%)。


再者,針對(duì)電極力學(xué)性能差和難以規(guī)?;苽涞入y題,首次開(kāi)發(fā)微流體氣噴紡絲方法(微流體氣噴紡絲機(jī)由南京捷納思新材料有限公司提供),大規(guī)模制備具有高導(dǎo)電性(236Sm-1)和高力學(xué)性能(楊氏模量235.2Mpa,斷裂伸長(zhǎng)率43.1%)的纖維基超級(jí)電容器電極材料。以此構(gòu)筑的纖維基超級(jí)電容器表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能,如高能量密度(147.5mWhcm-3)、大比電容(472Fcm-3)、穩(wěn)定形變供能和自供能的特性,為柔性可穿戴產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供新途徑。該研究成果于近日發(fā)表在國(guó)際重要刊物《AngewandteChemieInternationalEdition》上。(HierarchicalMicro-MesoporousCarbonFrameworks-BasedHybridNanofibresforHigh-DenseCapacitiveEnergyStorage,Angew.Chem.Int.Ed.2019,DOI:10.1002/anie.201911023)。南京工業(yè)大學(xué)博士研究生程恒洋為第一作者。


圖1.微流體氣噴紡絲機(jī)(南京捷納思新材料有限公司提供)。


圖2.(a)微液滴法制備微介孔碳骨架納米材料示意圖;(b)單個(gè)液滴不同反應(yīng)時(shí)間的光學(xué)照片。


圖3.(a)微流控氣噴法大規(guī)模制備柔性纖維基電極示意圖;(b——d)不同紡絲液中活性材料含量(3wt%,5wt%,8wt%)制備得到纖維的直徑分布圖;(e)不同紡絲液濃度纖維電極的平均直徑、電導(dǎo)率與延伸率的關(guān)系;(f)所制備的柔性纖維基電極照片和纖維的SEM圖像。


圖4.(a)超級(jí)電容器的構(gòu)筑及其應(yīng)用示意圖;(b)不同組分構(gòu)筑的電極結(jié)構(gòu)示意圖,基于MOFs得到的碳多面體單層化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖;(c)不同電極組裝的超級(jí)電容器的CV循環(huán)曲線圖;(d)不同電極組裝的超級(jí)電容器的充放電曲線圖;(e)不同電極組裝的超級(jí)電容器的比電容值;(f)不同電極組裝的超級(jí)電容器的阻抗分析。


圖5.(a)超級(jí)電容器不同彎曲角度下的電容保留率;(b)超級(jí)電容器不同形變下的充放電曲線圖;(c)柔性超級(jí)電容器嵌于織物實(shí)現(xiàn)對(duì)智能衣物供能;(d)柔性超級(jí)電容器結(jié)合太陽(yáng)能電池得到的自供能系統(tǒng)。


該研究成果獲得審稿人高度評(píng)價(jià):“Thismanuscriptdemonstratesaninterestingstudyon"HierarchicalPorousCarbonHybridNanofibresforCapacitiveEnergyStorage",whichisofgreatintereststobeappliedintowearabledevices.Theproposedresearchworkiswelldesignedandorganizedwithcomprehensivematerialscharacterizationanddeviceevaluation.”


該課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家青年基金、江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程、材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等基金的資助和支持。


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