中物院化工材料研究所Nano Energy：高面积能量密度、全气候工作的水系纤维超电

  在纳米晶态聚合物纤维和LiCl-PVA水系凝胶聚合物电解质的协同作用下，开发了宽温域-60〜75℃下具有高面积能量密度和高安全性的全气候水性纤维状超级电容器。

【引言】

可穿戴和智能纺织品在便携式电子设备中得到了迅速发展并具有广阔的应用前景。纤维状超级电容器（FSSs）具有体积小，灵活性高和易于装配到各种设计结构中的优点，吸引了越来越多的兴趣，被认为是很有前途的可穿戴智能纺织品的候选储能器件之一。然而与那些常规二维结构的超级电容器和电池相比，一维FSS比能量低，这限制了它们的实际应用。通过制备高电导率和高离子迁入的高电容材料，已实现室温下具有较高能量密度的FSS以及宽工作电压的非水系（有机溶剂或离子液体）和非对称的水系电容器。

尽管FSS取得了巨大进展，但仍存在巨大的挑战，包括能量密度低，成本高，极冷/热环境分解以及液体电解质泄漏。目前FSS主要基于高毒性和易燃的有机电解质（乙腈具有高挥发性和低燃点）、高粘度和高成本的离子液体、浓酸（H2SO4，H3PO4）或碱（NaOH）溶剂，这可能会导致严重的安全风险。尤其是对于直接粘在人体皮肤上的柔性和可穿戴纺织品，当在宽温度范围内使用时， FSS的反复弯曲或扭曲会提升潜在的安全风险。与此同时，迄今为止，大多数报道的FSS着重于室温性能，这可能无法在极寒的冬季（温度低于-20℃）到赤道地区（温度高于40℃）的极端操作温度下，满足人类全气候区域的使用要求。目前还没有报道在极端操作温度低于0℃和高于80℃时具有大面积能量密度和高安全性的柔性水系FSS。

【成果简介】

近日，中国工程物理研究院化工材料研究所程建丽、黄辉和王斌研究员（通讯作者）在国际能源顶级期刊 Nano Energy 上发表“All-Climate Aqueous Fiber-Shaped Supercapacitors with Record Areal Energy Density and High Safety”的论文，第一作者是博士生王转培。柔性纤维状超级电容器（FSS）是可穿戴电子产品有前途的储能候选者之一。然而，大多数报道的FSS在室温下运行并使用有毒的易燃有机电解质或腐蚀性强酸或碱，这可能具有安全隐患，特别是对于在恶劣的环境温度下直接粘附在人体皮肤上的可穿戴纺织品。研究人员设计了一种全新的全气候水系对称纤维形超级电容器，在-60至100℃的宽工作温度范围内均能够正常工作，并且通过组合LiCl-PVA基凝胶聚合物电解质和高安全性核壳纳米晶聚合物纤维电极在-60至75℃的宽温度范围内表现出优异的柔韧性和超高能量密度。此外，它还具有很高的安全性和高的面密度能量密度。制备的水性FSS在不同的操作温度下表现出高度的灵活性，高的面积/体积能量密度和稳定的循环寿命，显示出在全气候可穿戴电子设备中的极高的应用前景。

【全文解析】

图1不同纤维制备过程的示意图和结构表征。

图2.不同纤维电极的结构表征和物理性质表征

图3.PEDOTS-RuO2@PEDOTS纤维基FSSs的电化学性能。

图4.在75℃至-60℃的温度下LiCl-PVA电解质在不同温度下的离子电导率和其电极的活化能研究

图5.在-60℃-75℃的不同温度下,比较基于PEDOTS-RuO2@PEDOTS的FSS与其他水系对称纤维状超级电容器的体积能量密度（EV）和面能量密度（EA）。

图6在不同温度下器件的柔性研究和4.5 V FSS器件组的应用展示

【总结与展望】

研究人员设计了一种全新的全气候水系对称纤维形超级电容器，在-60至75℃的宽工作温度范围内具有超高面积能量密度，并在-60至75℃的宽温度下经过2000次弯曲依旧保持高柔韧性和优异的电化学性能，对于可穿戴智能织物，呈显出极高的安全性和应用前景。

该工作得到了国家自然科学基金（21501160和51741305），四川省杰出青年科学基金（2016JQ0025和2017JQ0036），中国绵阳科学城的“千英百团”计划，化工材料研究所科学基金（编号：011100301）和中国政府的“千人计划”资助。

ZhuanpeiWang, Jianli Cheng, Jingwen Zhou, JunxiangZhang, Hui Huang, Jie Yang, YinchuanLi, Bin Wang; All-climate aqueousfiber-shaped supercapacitors with record areal energy density and high safety,nano energy, 2018, DOI:10.1016/j.nanoen.2018.05.029

【课题组前期工作介绍】

1. Interfacial Engineered Polyaniline/Sulfur-doped TiO2 Nanotube Arrays for Ultralong Cycle Lifetime Fiber-Shaped, Solid-State Supercapacitors, ACS applied materials and interfaces, 2018, doi:10.1021/acsami.8b01160.

2. All-Climate Aqueous Fiber-Shaped Supercapacitors with Record Areal Energy Density and High Safety, Nano Energy, 2018, doi:10.1016/j.nanoen.2018.05.029.

3. All-in-one fiber for stretchable fiber-shaped Supercapacitors, Nano Energy, 2018, 45, 210-219.

4. Highly-Wrinkled Reduced Graphene Oxide-Conductive Polymer Fibers for Flexible Fiber-Shaped and Interdigital-Designed Supercapacitors, J. Power Sources, 2018, 376, 117-124.

5. Free-standing N-doped carbon nanofibers/carbon nanotubes hybrid film for flexible, robust half and fulllithium-ion batteries, Chemical Engineering Journal, 2018, 334, 682-690.

6. Omnidirectional porous fiber scrolls of polyaniline nanopillars array-N-doped carbon nanofibers for fiber-shaped supercapacitors, Materials Today Energy, 2017, 5, 196-204.

7. Functionalized carbon nanotubes and graphene-based materials for energy storage, Chem. Comm., 2016, 52, 14350-14360.

8. Twisted yarns  for  fiber-shaped supercapacitors  based  on wet spun PEDOT:PSS fibers from aqueous coagulation, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 11616-11624.

9. A fiber supercapacitor with high energy density based on hollow graphene/conducting polymer fiber electrode, Advanced  Materials, 2016, 28,3646-3652.

10. Fiber−Shaped Solid−State Supercapacitors Based on Molybdenum Disulfide Nanosheets for a Self−powered Photodetecting System, Nano Energy, 2016, 21, 228–237