纖維狀柔性超級電容器的研究進(jìn)展

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的紡織品已經(jīng)難以滿足人們的需求。智能可穿戴器件的發(fā)展正掀起一場紡織技術(shù)領(lǐng)域的科技革命。下一代可穿戴電子設(shè)備要求系統(tǒng)直接集成到柔軟而彎曲的人體上，并具有一定的可形變特性。因此，織物基電子器件已成為一個快速發(fā)展并具有數(shù)十億美元規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。未來智能可穿戴紡織品將呈現(xiàn)多功能融合的發(fā)展趨勢，例如，移動式能量收集和存儲、無線通訊、信息交互、自驅(qū)動傳感等。纖維作為一個典型的一維柔性基底，可以通過負(fù)載活性材料的方法獲得各種功能，進(jìn)而通過紡紗織造制備智能可穿戴紡織品，在智能可穿戴領(lǐng)域具有獨特的應(yīng)用優(yōu)勢。纖維狀超級電容器具有柔性、輕質(zhì)、功率密度高、循環(huán)壽命長、快速充放電的優(yōu)勢，在可穿戴領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。然而，目前纖維狀超級電容器的性能仍然難以滿足智能可穿戴的應(yīng)用需求，電極材料的選擇、電極微納結(jié)構(gòu)的調(diào)控、離子動力學(xué)過程、反應(yīng)動力學(xué)調(diào)控以及離子界面?zhèn)鬏數(shù)葐栴}有待深入研究。弄清楚以上問題，將有助于提升纖維狀超級電容器的電化學(xué)性能，并為其他柔性儲能器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供思路和方法?；诖?，作者總結(jié)了各種碳材料纖維狀柔性超級電容器的制備方法，電化學(xué)性能和及其應(yīng)用，并且分析了纖維狀超級電容器研究中存在的問題，并對未來的研究方向和發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測和展望，為高性能柔性超級電容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供思路和方法，為其他柔性儲能器件的發(fā)展提供參考。摘要：隨著智能可穿戴設(shè)備的快速發(fā)展，對柔性能量儲存設(shè)備提出了更高的要求。纖維狀超級電容器具有柔性、輕質(zhì)、功率密度高、循環(huán)壽命長、快速充放電的優(yōu)勢，在可穿戴領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。碳納米管纖維、石墨烯纖維和碳纖維具有較高的電導(dǎo)率，可以滿足超級電容器電導(dǎo)率的要求，被認(rèn)為是理想的纖維狀超級電容器的電極材料。主要綜述了碳納米管纖維、石墨烯纖維和碳纖維基超級電容器的制備方法、電化學(xué)性能和纖維狀超級電容器的應(yīng)用，重點介紹了一些國內(nèi)外代表性的研究工作。最后分析了纖維狀超級電容器研究中存在的問題，并對未來的研究方向和發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測和展望。結(jié)論雖然纖維狀超級電容器具有柔性、輕質(zhì)、功率密度高、循環(huán)壽命長、快速充放電的特性，并在智能可穿戴領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。然而其能量密度仍然低于電池，這也限制了其廣泛應(yīng)用。近年來，雖然各種新型贗電容活性材料的開發(fā)應(yīng)用以及超級電容器電極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計取得一定進(jìn)展，使得纖維狀超級電容器的電化學(xué)性能得到很大提升，但是纖維狀超級電容器的發(fā)展仍然面臨一系列的問題：（1）現(xiàn)有的纖維狀超級電容器的性能評價指標(biāo)不統(tǒng)一，比如面積比、體積比、長度比、質(zhì)量比，因此，迫切需要統(tǒng)一的性能評價標(biāo)準(zhǔn)；（2）纖維狀超級電容器的能量密度有待進(jìn)一步提升，尤其是體積比能量密度；（3）纖維狀超級電容器如何與其他智能可穿戴器件集成，提高其輸出功率并為大功率可穿戴電子器件提供能量；（4）如何織造大面積基于纖維狀超級電容器的超級電容器織物仍然面臨困難，纖維狀超級電容器的織造工藝有待進(jìn)一步完善；（5）纖維電極材料的電化學(xué)性能和機械性能需要進(jìn)行平衡，以滿足實際應(yīng)用需求；（6）纖維電極徑向離子傳遞過程和軸向電子傳輸過程仍需要進(jìn)行調(diào)控，以獲得更優(yōu)異的倍率性能和更高的比電容。因