隨著人們對(duì)可折疊顯示器、可穿戴等便攜式柔性電子產(chǎn)品越來越旺盛的需求，直接激發(fā)了供給端生產(chǎn)柔性、輕量化和耐用性能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的熱情，較為容易地維持了便攜式柔性電子設(shè)備高功率、高能量密度的性能。

科學(xué)家已經(jīng)開始探索各種設(shè)計(jì)策略，比如通過對(duì)多孔材料的補(bǔ)充，來擴(kuò)大電荷儲(chǔ)存容量，利用高導(dǎo)電材料和路徑建設(shè)促進(jìn)電荷傳輸，然后通過耐用性材料加固纖維，進(jìn)而形成易用性較強(qiáng)的纖維型平臺(tái)。

然而，由于非必需添加劑的存在，以上設(shè)計(jì)策略僅能對(duì)部分纖維的性能進(jìn)行適度改善。因此，開發(fā)一種同時(shí)兼?zhèn)浯鎯?chǔ)大量電荷、高導(dǎo)電性和優(yōu)越機(jī)械性能的集成光纖，已經(jīng)成為開發(fā)下一代便攜式電子產(chǎn)品的關(guān)鍵步驟。

雙壁碳納米管線合成過程

近日，仁荷大學(xué)和韓國(guó)材料科學(xué)研究所的科學(xué)家設(shè)計(jì)出一種與“珠寶項(xiàng)鏈”結(jié)構(gòu)類似的混合型復(fù)合纖維，其主要由雙壁碳納米管線和金屬有機(jī)框架兩部分組成。

再通過熱處理的方式將金屬有機(jī)框架轉(zhuǎn)化成MOF衍生碳，來實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存最大化和優(yōu)越的機(jī)械性能。

一體化柔性超級(jí)電容器在極端負(fù)載下的優(yōu)越性能

2022年1月5日，相關(guān)論文以《一體化柔性超級(jí)電容器在極端負(fù)載下所擁有的超穩(wěn)定性能》為題發(fā)表在《科學(xué)·進(jìn)展》上。

由仁荷大學(xué)化學(xué)與工程系智能能源材料教育研究中心先進(jìn)納米雜交實(shí)驗(yàn)室教授金泰勛、韓國(guó)材料科學(xué)研究所復(fù)合材料研究所助理教授宋在陽(yáng)擔(dān)任共同通訊作者。

相關(guān)論文

混雜纖維將重物提起測(cè)試

該研究揭示了具有可調(diào)性能和機(jī)械魯棒性的混合纖維，可以在各種機(jī)械變形的條件下發(fā)揮作用，使超強(qiáng)光纖產(chǎn)生足夠的功率以激活發(fā)光二極管，同時(shí)可將10千克的重量拉起。

事實(shí)證明，由于光纖型固態(tài)超級(jí)電容器所具備重量輕、易操作和變形靈活等優(yōu)點(diǎn)，可以被廣泛應(yīng)用于新一代的儲(chǔ)能設(shè)備中，這種光纖型固態(tài)超級(jí)電容器易于處理和變形的性能，推動(dòng)了下一代儲(chǔ)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

復(fù)合材料制備表征

據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)過程中，先將雙壁碳納米管線組合成數(shù)10微米厚度的單一纖維，然后，將裝置的高孔碳外部暴露在外面作為高機(jī)械和導(dǎo)電性的高能電力存儲(chǔ)系統(tǒng)，最終制備出混合復(fù)合材料。

該團(tuán)隊(duì)基于浮動(dòng)催化劑的合成工藝，利用紡絲納米管紗線直接制備雜化復(fù)合材料，進(jìn)而制備出雙壁碳納米管紗線，該團(tuán)隊(duì)把制備出來的結(jié)構(gòu)浸泡在丙酮中，可以增加材料密度和強(qiáng)化產(chǎn)品性能。

一體化柔性超級(jí)電容器在極端負(fù)載下的超穩(wěn)定性

通過光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡可以觀察到，直徑為15微米的雙壁碳納米管線包含數(shù)以千計(jì)個(gè)直徑為5納米的單雙壁碳納米管線。

科研工作者再利用拉曼光譜和熱重分析策略來對(duì)產(chǎn)品的高結(jié)晶度和純度進(jìn)行確認(rèn)，并進(jìn)行高水平的整合。這樣制備出的混合光纖，可作為下一代光纖儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本組件。

緊接著，該團(tuán)隊(duì)將混合纖維直接碳化至900攝氏度，以保證良好的導(dǎo)電性和微孔隙率。這種通用的方法允許通過MOF密度來控制雙壁碳納米管線的厚度。

為了使纖維材料的界面鍵進(jìn)一步加強(qiáng)，該團(tuán)隊(duì)將官能團(tuán)引入DWNTY表面，并通過改變MOF合成的配體，來誘導(dǎo)其他分子進(jìn)行相互作用。他們使用X射線光發(fā)射光譜和傅里葉變換紅外光譜，對(duì)氨基苯甲酸進(jìn)行氮化，在納米管紗線表面引入羧基，驗(yàn)證了紗線表面的功能化不會(huì)改變其石墨結(jié)構(gòu)。

這一過程模擬了界面修飾對(duì)紗線和金屬有機(jī)框架之間界面強(qiáng)度的影響，以顯示界面修飾的有效性。研究小組做了一個(gè)大膽的假設(shè)，以驗(yàn)證多孔材料的增厚纖維是否能對(duì)設(shè)備的儲(chǔ)能性造成影響。

研究發(fā)現(xiàn)，該猜想可以結(jié)合上百種纖維使儲(chǔ)能設(shè)備的結(jié)構(gòu)增厚來實(shí)現(xiàn)，在前體溶液中培養(yǎng)含有胺基的配體，在生產(chǎn)出不同程度承壓變形的紗線之前先把胺基碳化，即可制備出纖維和紡織超級(jí)電容器。

在拉伸測(cè)試中，該儲(chǔ)能設(shè)備即使經(jīng)過500次循環(huán)重復(fù)的彎曲，結(jié)構(gòu)依然完好無(wú)損，仍可顯示出88%的電容保持率，充分驗(yàn)證了該設(shè)備具有良好的可變性能。

因此，該研究成果有望在可折疊顯示器和可穿戴電子設(shè)備中廣泛地應(yīng)用，尤其是柔性可穿戴電子設(shè)備。