东华大学杨升元副教授-朱美芳教授: 基于电纺的纳米纤维自组装用于超柔性储能

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纺织纱线经过改性，可用于各种智能应用，如储能、传感等。在线型柔性超级电容器中，最常用的纱线改性技术之一是将导电活性物质涂覆在纺织纱线上。涂层工艺包括气相聚合、浸渍涂层、层层自组装的薄膜包覆和电化学沉积等方法。然而，这些方法并不简便，且不可控，难以拓展。基于此东华大学朱美芳课题组提出了通过改进的静电纺丝工艺在纱线上涂覆纳米纤维，以制备超柔性储能电极。涂覆在纺织纱线集流体表面的纳米纤维具有良好的电活性、多孔性和包裹性，有助于离子更快地扩散，从而使纺织纱线保留原本的柔韧性和耐用性的同时，获得优异的电化学性能。该方法开辟了一种新的可拓展的策略用于可穿戴智能纺织品的先进制造。

近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室杨升元副教授和朱美芳教授在ACS Applied Energy Materials上发表最新研究成果“Surface Self-Assembly of Functional Electroactive Nanofibers on Textile Yarns as a Facile Approach Towards Super Flexible Energy Storage”，共同第一作者为材料学院留学生Mike Tebyetekerwa（来自乌干达）和本科生徐朕（现于英国伦敦玛丽女王大学Queen Mary University of London攻读博士学位）。

在该文中，研究者通过静电纺丝，以不锈钢纱线作为纳米纤维的接收器，使聚吲哚/炭黑复合纳米纤维通过静电吸附自组装包裹在不锈钢纱线上，制得了超柔性线型电极。该课题组前期的一系列工作（Materials Letters, 2017, 209, 400–403；Electrochimica Acta, 2017, 247, 400–409；J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 21114-21121）已经从聚合-纺丝-器件系统地研究了聚吲哚纳米纤维及其复合材料在超级电容器等储能器件上的应用潜力。而此次通过这种新型却简单的工艺，制备了聚吲哚及其复合材料的线型超柔性电极，将该线型电极编织或针织进织物后发现其比电容并无显著变化，一定程度上说明了该工艺在设计可穿戴柔性器件中有着较好的应用前景，即该方法可用于制备各种纺织柔性智能纱线（如以PET纤维为基底），且其电化学性能可通过与碳纳米管、石墨烯以及MXene等复合而进一步提升（Joule, under review）。相关研究工作得到了上海市晨光计划、上海市科技创新行动计划、国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。

图1 工艺流程示意图

a-c) 纺丝液的配制

d) 静电纺制备线型电极，其中 SSY为stainless steel yarn，NCY为nanofiber coated yarn

图2 材料表征

a) 聚吲哚、炭黑和聚吲哚/炭黑（质量比1：4）复合材料的FTIR图

b) 聚吲哚、炭黑和聚吲哚/炭黑（质量比1：4）复合材料的Raman图

c) 聚吲哚、炭黑、聚吲哚/炭黑（质量比1：4）复合材料和PVA的TGA图

图3 NCY-Pind/CB 1-4的SEM图和元素映射分析图

a) NCY的表面图及b) 其放大图

c) NCY的截面图

d- g) NCY的元素映射分析图

图 4  超级电容器的组装及其电化学性能图

1-3) 超级电容器的组装示意图

a) 不同配比的聚吲哚/炭黑复合纳米纤维超电的CV图，b) GCD图，c) 在不同扫描速率下的比电容，d-e) EIS图

图5 超级电容器的电化学性能图

a) 聚吲哚/炭黑（质量比1：4）复合纳米纤维超电在不同扫描速率下的CV图，b) GCD图，c) 面积比电容和线性比电容，d) 循环性能图和 e) 柔性测试—不同编织方式下的CV图

图6 与其他线型超级电容器的面积功率密度和能量密度对比图

论文链接: 

http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.7b00057

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