陈南梁教授团队在柔性可拉伸超级电容器领域取得新进展

近日，我校纺织学院产业用纺织品教育部工程研究中心陈南梁教授团队与厦门大学刘向阳教授团队合作在柔性可拉伸超级电容器领域取得重要进展，相关成果以《不可拉伸的金属纤维编织成可拉伸的混合型超级电容器 》（Making Stretchable Hybrid Supercapacitors by Knitting Non-Stretchable Metal Fibers ）为题， 发表于国际知名期刊《先进功能材料》（ Advanced Functional Materials ）。该论文第一作者为纺织学院17级博士生邵光伟，纺织学院陈南梁教授、厦门大学刘向阳教授、叶美丹副教授为通讯作者。

超级电容器，特别是可拉伸全固态超级电容器，由于其在可穿戴电子领域的潜在应用性而受到广泛关注。可拉伸超级电容器不但具有功率密度高、充放电速度快和循环稳定性好等优异的电化学性能，而且还有出色的机械性能，特别是优秀的可拉伸性、拉伸回复性和机械稳定性等。作为制备可拉伸超级电容器的关键材料，可拉伸电极基底可以分为两种类型：（1）以本征弹性聚合物材料为基材制备可拉伸电极，然而这类电极材料存在低效能、电阻高、透气性差等缺点；（2）具有可拉伸结构的电极材料，这类电极表现出较低的拉伸回复性，限制了其实际应用。因此，研制出兼具高导电性和良好拉伸回复性的可拉伸电极基底仍然是一个极大的挑战。

针对这一问题，研究团队选择与头发丝相当直径的不锈钢纤维为原料，通过经编的方法编织成具有二维网络结构的不锈钢经编网（SSM）。这种网不但具有高的电导率而且还具有优秀的拉伸性和拉伸回复性。通过水热法在不锈钢网表面生长出具有纳米结构的金属硫化物作为电极材料。基于SSM的可拉伸固态混合超级电容器被组装制备，表现出优异的电化学性能、机械性能和稳定性。进一步地，将组装的可拉伸超级电容器缝在肘部的衣服处来驱动一只LED灯泡。在肘部反复的弯曲和伸直过程中，LED仍然保持着明亮，从而直接证明了我们所设计的基于不锈钢网的可拉伸超级电容器具有在可穿戴电子领域的高适用性。

  图1. 具有典型二维网络结构的不锈钢经编网

图1展示了不锈钢网的微观、宏观结构状态以及不锈钢网在编织机上的状态。不锈钢网由一个个不锈钢纤维组成的线圈相互串套在一起组成的，因此具有优异的拉伸性和拉伸回复性。

  图2. 可拉伸超级电容器的组装和电化学性能表征

以NiCo2S4/CoS2@SSM为正极材料，AC@SSM为负极材料和PVA/KOH凝胶电解质组装成混合型超级电容器，并对其电化学性能进行测试，图2展示了组装的器件具有优异的电化学性能。

与已有报道的超级电容器对比发现，我们制备的超级电容器表现出较高的能量密度，优秀的拉伸回复性，高拉伸循环稳定性和电化学性能稳定。高机械强度和韧性的SSM提供了器件显著的灵活性，SSM基底直接作为集流器，降低了整个器件的电阻。

  图3.可拉伸超级电容器的应用展示

图3展示了团队制备的可拉伸超级电容器器件具有优异的电化学性能，能够驱动由40个灯泡组成的“DHU”图案。同时，在多种可穿戴应用场景下的各种电化学稳定性及具体应用案例，结果直接证明了器件在可穿戴电子器件中具有较高的应用潜力。

在此工作中，我们编织了一种新颖的SSM作为基底制备可拉伸超级电容器。与普通金属织物的刚性相反，具有典型二维网络结构的SSM表现出优异的柔软性、拉伸性、拉伸回复性等力学性能和高导电性。与同类型器件对比，我们组装的器件表现出优异的电化学性能和机械性能，满足可穿戴要求。研究结果表明，这是目前所报道的首个真正意义上的基于金属材料的可拉伸储能器件。该成果的突破，打破了人们的思维惯性，为柔性储能器件提供了新的设计思路。

上述研究成果得到了东华大学研究生创新基金等项目资助。

原文链接如下：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003153