黄维院士、朱纪欣教授团队SusMat：功能纤维电子器件研究进展
01
研究背景
可穿戴电子产品的问世将会对人们的生活方式产生深远的影响。其中，一维纤维状电子器件由于其高柔性、微型化、可集成和可编织等特点，在实际应用中具有更佳的佩戴舒适性和使用耐久性。纤维状电子器件除了可转换/储存能量外，还可集成自修复、驱动、传感和自供电等多种功能，具有极大的应用前景。导电纤维材料作为纤维状电子器件的基本构筑元件，它的研究很大程度决定了最终器件的性能和应用。
02
工作介绍
西北工业大学和南京工业大学黄维院士&朱纪欣教授团队就功能纤维电子器件研究进展进行分析和概括，重点介绍导电纤维材料制备，结构设计，工作原理和器件性能，以及纤维电子器件的功能集成。该工作在SusMat上发表（DOI: 10.1002/sus2.1，论文信息见文末）。
图1. 功能纤维电子器件概述
03
主要内容
文章主要从以下几个角度对功能纤维电子器件研究进展进行分析和概括：
1. 导电纤维材料
导电纤维材料主要有金属纤维/纳米线、碳纳米管纤维、石墨烯纤维等。这里我们总结了导电纤维的常见制备方法（浸凃，湿纺和干纺等），同时比较了它们的机械/电学性能。其中，碳纳米管纤维由于其柔性好，轻质化，高稳定等优点，引起了人们的广泛关注。
图2. （a）金属纳米纤维的浸涂法制备过程示意图；（b）金属-碳纤维的湿纺过程示意图；（c）碳纳米管直接纺丝工艺示意图；（d）从纳米管阵列干纺的CNT纤维的SEM图；（e）碳纳米管弹簧的制备示意图
2. 纤维电子器件
纤维电子器件的应用主要包括超级电容器，电池(金属离子电池和金属空气电池)，驱动器和传感器，以及多功能集成系统。在众多应用中，柔性纤维状超级电容器和电池因其高输出功率和高能量密度，是目前研究较多的柔性/可穿戴电子器件，其组装方式主要有平行、扭曲和同轴等。此外，驱动器和传感器可以实时监测外界环境变化，也是可穿戴设备不可缺少的组成部分。
图3. 三种类型的纤维状超级电容器/电池的示意图
图4. （a-c）可拉伸纤维状锂离子电池；（d-f）自修复纤维状锂离子电池；（g）纤维状钠离子电池；（h）纤维状铝空气电池
图5. CNT纤维状驱动器：（a-d）电驱动；（e-f）有机溶剂驱动；（g-h）热驱动；（i-k）湿度驱动
图 6. （a-b）Ag纳米线/PU纤维状传感器;（c）Ag纳米线–Ag纳米粒子/SBS纤维传感器；（d）CNT/PU纤维状传感器；（e-f）CNT/弹性纤维状传感器
3. 多功能集成系统
除了单一功能以外，纤维器件的多功能化集成也是未来发展的方向。如可把电池和超级电容器结合，实现单一能源器件的高功率密度和高能量密度；以及将能量转换和储能功能相结合并整合传感单元，实现自供电智能系统。
图7.（a）锂离子电池和超级电容器的双功能器件；（b-c）光电转换和储能集成器件；（d）能量收集、存储及利用整合的自供电应变传感纤维器件；（e）多功能集成的同轴纤维器件
4. 展望
功能纤维电子器件已经取得不错的研究进展，但仍无法满足实际的应用要求。柔性纤维超级电容器/电池的有机电解质虽然能扩大电化学窗口，但存在电解质泄漏等安全隐患。此外，为了保证器件性能的稳定，封装材料也是一个重要的考虑因素。开发新型纤维驱动器仍需着眼于结构设计，以期获得高驱动速率、变形位移和驱动持久性。此外，在电子器件的使用过程中，需保证器件的结构和功能的完整性和稳定性以及要求集成系统的轻量化和微型化。虽然纤维电子器件的材料研究和工艺技术面临许多问题，但仍可以预见其在智能电子领域的广阔应用前景。
作者简介
朱纪欣 教授
博士生导师，主要从事新材料设计与能源存储、柔性电子材料与器件等研究工作。2012年获得新加坡南洋理工大学博士学位。2012-2015年分别于美国莱斯大学、德国慕尼黑工业大学创新中心和德国马普学会胶体与界面所从事研究工作，2016年加入到南京工业大学先进材料研究院。目前，在Journal of the American Chemical Society, Advanced Materials, Nano Letters, Angewandte Chemie International Edition 等国际期刊发表SCI论文150余篇，被引用9900余次，H因子55，申获发明专利10余件，科睿唯安全球“高被引科学家”。
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黄维 院士
中国科学院院士，俄罗斯科学院外籍院士，亚太材料科学院院士，东盟工程与技术科学院外籍院士，巴基斯坦科学院外籍院士。教授、博导，国家“杰出青年科学基金”获得者，教育部“长江学者”特聘教授，“973”项目首席科学家，中国有机电子学科、塑料电子学科和柔性电子学科的奠基人与开拓者。黄维院士在柔性电子学、特别是有机电子学等领域取得了大量系统性、创新性的研究成果，以第一或通讯作者身份在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Photonics、Nature Energy、Nature Chemistry、Nature Electronics以及Nature Communications等国际主流SCI学术期刊发表研究论文760余篇，H因子为131，国际同行引用逾80000次，是材料科学与化学领域全球高被引学者。获授权美国、新加坡和中国等国发明专利360余项，出版了《有机电子学》《生物光电子学》《有机薄膜晶体管材料器件和应用》《有机光电子材料在生物医学中的应用》《OLED显示技术》等学术专著。
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SusMat 是Wiley和四川大学联合创办的开放获取式（Open Access）期刊，刊名是可持续发展材料（Sustainable Materials）的简写，是Wiley旗下“Mat”系列高端期刊成员之一，旨在为与可持续发展材料主题相关的各类研究及应用领域科研人员提供高质量的学术成果发布与交流平台。
SusMat 以“材料创新驱动可持续发展”(Materials Innovation for Sustainable Development)为主旨，关注材料科学前沿研究，聚焦推动可持续发展的研究工作与技术创新。期刊涵盖范围广泛，包括但不限于以下领域及相关交叉学科：
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论文信息：
Recent advance in functional fiber electronics
Xiaopei Zhang, Huijuan Lin, Huan Shang, Jingsan Xu, Jixin Zhu*, Wei Huang*
SusMat
DOI: 10.1002/sus2.1
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