一體式柔性超級電容經過五百次循環后仍可提起十公斤重物

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

科學家已經開始探索各種設計策略，比如通過對多孔材料的補充，來擴大電荷儲存容量，利用高導電材料和路徑建設促進電荷傳輸，然后通過耐用性材料加固纖維，進而形成易用性較強的纖維型平臺。

然而，由于非必需添加劑的存在，以上設計策略僅能對部分纖維的性能進行適度改善。因此，開發一種同時兼備存儲大量電荷、高導電性和優越機械性能的集成光纖，已經成為開發下一代便攜式電子產品的關鍵步驟。

雙壁碳納米管線合成過程

近日，仁荷大學和韓國材料科學研究所的科學家設計出一種與“珠寶項鏈”結構類似的混合型復合纖維，其主要由雙壁碳納米管線和金屬有機框架兩部分組成。

再通過熱處理的方式將金屬有機框架轉化成MOF衍生碳，來實現能量儲存最大化和優越的機械性能。

一體化柔性超級電容器在極端負載下的優越性能

2022年1月5日，相關論文以《一體化柔性超級電容器在極端負載下所擁有的超穩定性能》為題發表在《科學·進展》上。

由仁荷大學化學與工程系智能能源材料教育研究中心先進納米雜交實驗室教授金泰勛、韓國材料科學研究所復合材料研究所助理教授宋在陽擔任共同通訊作者。

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混雜纖維將重物提起測試

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

事實證明，由于光纖型固態超級電容器所具備重量輕、易操作和變形靈活等優點，可以被廣泛應用于新一代的儲能設備中，這種光纖型固態超級電容器易于處理和變形的性能，推動了下一代儲能目標的實現。

復合材料制備表征

據悉，該團隊在實驗過程中，先將雙壁碳納米管線組合成數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械和導電性的高能電力存儲系統，最終制備出混合復合材料。

該團隊基于浮動催化劑的合成工藝，利用紡絲納米管紗線直接制備雜化復合材料，進而制備出雙壁碳納米管紗線，該團隊把制備出來的結構浸泡在丙酮中，可以增加材料密度和強化產品性能。

一體化柔性超級電容器在極端負載下的超穩定性

通過光學顯微鏡、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以千計個直徑為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產品的高結晶度和純度進行確認，并進行高水平的整合。這樣制備出的混合光纖，可作為下一代光纖儲能系統的基本組件。

緊接著，該團隊將混合纖維直接碳化至900攝氏度，以保證良好的導電性和微孔隙率。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一步加強，該團隊將官能團引入DWNTY表面，并通過改變MOF合成的配體，來誘導其他分子進行相互作用。他們使用X射線光發射光譜和傅里葉變換紅外光譜，對氨基苯甲酸進行氮化，在納米管紗線表面引入羧基，驗證了紗線表面的功能化不會改變其石墨結構。

這一過程模擬了界面修飾對紗線和金屬有機框架之間界面強度的影響，以顯示界面修飾的有效性。研究小組做了一個大膽的假設，以驗證多孔材料的增厚纖維是否能對設備的儲能性造成影響。

研究發現，該猜想可以結合上百種纖維使儲能設備的結構增厚來實現，在前體溶液中培養含有胺基的配體，在生產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電容器。

在拉伸測試中，該儲能設備即使經過500次循環重復的彎曲，結構依然完好無損，仍可顯示出88%的電容保持率，充分驗證了該設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備中廣泛地應用，尤其是柔性可穿戴電子設備。