华南理工大学刘岚教授JMCA：构筑表面褶皱结构和强界面纤维电极用于超级电容器

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纤维状超级电容器（FSSCs）具有重量轻、体积小和可纺、可编织等优点，在可穿戴电子设备领域具有很好的发展前景。然而纤维本身的小尺寸、高长径比的特点往往不利于活性物质的负载，进而大大限制了纤维状超级电容器的容量和使用稳定性。因此，如何在纤维电极上负载更多界面稳定的电化学活性物质，提高纤维状超级电容器的比电容和机械稳定性是当前纤维状可穿戴储能设备研究的难点。

针对这些问题，刘岚教授团队设计了一种具有表面褶皱的还原氧化石墨烯/海藻酸/聚吡咯（rGO/Alg/PPy）核壳结构纤维电极。通过湿法纺丝工艺制备氧化石墨烯/海藻酸凝胶纤维，利用凝胶纤维吸附吡咯单体并原位聚合，成功在纤维表面引入聚吡咯褶皱结构，不仅提高了纤维的比表面积和活性聚吡咯的负载量，且该过程中原位聚合形成的聚吡咯分子链与海藻酸分子链可形成有效的拓扑缠结，从而大大增强了聚吡咯与内部石墨烯纤维的界面结合。基于此，制备的rGO/Alg/PPy纤维电极不仅表现出26.20 F cm^-3的高体积比电容，且在 10A cm^-3 的高电流密度下，10,000 次充电/放电循环后，该纤维仍显示出优异的循环稳定性，电容保持率达 91.61%。组装的对称型纤维状超级电容器（FSSC）在 180° 弯曲循环 2,000 次后也显示出 83.45% 的电容保持率。本工作制备的纤维状超级电容器兼具高比电容和高稳定性，不仅对在纤维表面构筑稳定褶皱结构具有很好的借鉴意义，在未来可穿戴能源设备方面也表现出潜在的应用前景。

图1（a）rGO/Alg/PPy核壳纤维各阶段合成过程示意图。(b) 纺丝针头和湿纺 GO/Alg 凝胶纤维的光学照片。（c）（Ⅰ）截面图和（Ⅱ）冻干GO/Alg凝胶纤维边缘的SEM图。（d）（Ⅰ）截面图和（Ⅱ）冻干GO/Alg/PPy凝胶纤维边缘的SEM图。（e）rGO/Alg/PPy核壳纤维的（Ⅰ）截面图、（Ⅱ）放大截面图和（Ⅲ）物理照片的SEM照片。(f) rGO/Alg/PPy核壳纤维表面的EDS面扫描图：Ⅰ.原始SEM图像；Ⅱ. C元素分布图；Ⅲ. N元素分布图；Ⅳ. S元素分布图。 （g）（Ⅰ）纯PPy和（Ⅱ）rGO/Alg/PPy核壳纤维的N 1s XPS光谱。(h) rGO/Alg/PPy 核壳纤维的 TG 和 DTG 曲线。

图2 与吡咯单体反应不同时间，得到的纤维的表面形貌。（分别与 Py 单体反应 30、60 和 90 秒）。(a) 20G/30s、(b) 20G/60s 和 (c) 20G/90s 的表面SEM图。(d) 20G/30s、(e) 20G/60s 和 (f) 20G/90s 的放大表面视图。(g) 20G/30s、(h) 20G/60s 和 (i) 20G/90s 的横截面图。

图3 rGO/Alg/PPy核壳纤维电极在液体电解质中的电化学性能。(a) EIS 曲线，(b) 2 A cm^-3 电流密度下的 GCD 曲线和 (c) 不同 rGO/Alg/PPy 纤维在不同电流密度下的比电容。(d) 不同扫描速率下的 CV 曲线，(e) 不同电流密度下的 GCD 曲线和 (f) 20G/90s 纤维在 10 A cm^-3 下的循环稳定性曲线。插图显示了最后 11 个循环中的 GCD 曲线。

图 4 rGO/Alg/PPy纤维制备的FSSC在PVA/H2SO4凝胶电解质中的电化学性能。(a) FSSC的示意图。(b) 不同扫描速率下的 CV 曲线和(c) FSSC 不同电流密度下的GCD曲线。(d) FSSC在0.5 A cm^-3 下的充放电循环稳定性曲线。插图显示了最后 11 个循环中的GCD曲线。(e) FSSC最终电容保持率与不同参考文献的对比。(f) FSSC的Ragone图及与不同参考文献的对比。(g) FSSC在不同弯曲角度下扫描速率为 50 mV s^-1的数码照片和稳定性。(h) FSSC 在 2,000 次弯曲循环至180° 后的数码照片和电容保持率（插图是第1次和第2000 次循环的 CV 曲线）。(i)单个FSSC和三个串联FSSC在相同电流密度下的GCD曲线。(j) 点亮LED灯泡的设备的光学照片。

该工作以《High performance fiber-shaped supercapacitors based on core–shell fiber electrodes with adjustable surface wrinkles and robust interfaces》为题目发表在《Journal of Materials Chemistry A》上，第一作者为华南理工大学硕士研究生石航，华南理工大学刘岚教授及博士后陈松为该文章的共同通讯。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta04007c

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