近日，中科院1区期刊《Chemical Engineering Journal》发表了Embry-Riddle Aeronautical University (ERAU) 在基于连续编织碳纤维电极的超强超级电容器共轴直写技术方面的研究，论文标题为“Coaxial direct writing of ultra-strong supercapacitors with braided continuous carbon fiber-based electrodes”，第一作者为杨卓元 (Zhuoyuan Yang)，通讯作者为江一舟助理教授 (Yizhou Jiang)。

  该研究首次展示了一种通过共轴直写技术一步制造编织柔性固态超级电容器的方法。连续碳纤维被用作柔性基底，α-二氧化锰纳米线和活性炭作为活性材料。整个电极组件用固态电解质包覆并进行编织。通过共轴直写技术，编织电极和密封件可以通过共轴喷嘴挤出，实现自由形态的超强超级电容器，编织电极的抗拉强度高达636 MPa。电化学测试表明，打印的超级电容器表现出优异的比电容，在1000次循环后仍保持90.1%的电容保持率。此外，超级电容器在不同弯曲角度下展现出几乎相同的电化学性能。这项研究为将高耐久性和适应性集成到下一代可穿戴和便携式电子设备中铺平了道路。

  图2展示了α-二氧化锰（MnO2）纳米线的形态及其在连续碳纤维上的沉积。图2(a) 显示了α-MnO2 纳米线的X射线衍射（XRD）图谱，证明了其高纯度及晶体结构。图2(b, c) 的扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像揭示了纳米线的均匀形态。

图2. α-二氧化锰（MnO?）纳米线的形态及其在连续碳纤维上的沉积。

  图3展示了硅胶封装材料在共轴直写超级电容器制造中的流变性及打印过程控制。图3(a) 显示了硅胶封装的表观粘度随剪切速率变化的曲线，表明其具有良好的剪切变稀特性，有助于在打印过程中实现流动性控制。图3(b) 则展示了硅胶在不同振荡应力下的储能模量 (G'''') 和损耗模量 (G") 变化，证明材料在低应力下具有弹性特性，在高应力下表现出粘性行为。

  他们测试了Dragonskin 30硅橡胶和Aeropoxy树脂墨水的流变和固化性能。添加增稠剂后，Dragonskin 30墨水的剪切速率与表观粘度关系显著改善（图4a）。类似地，Aeropoxy树脂墨水在添加二氧化硅后也显示出更好的流变性能（图4d）。固化测试表明，两种墨水在不同加热条件下都能快速固化（图4c和图4f）。

  图4 展示了不同编织密度的碳纤维电极在力学性能方面的表现。研究通过光学显微镜（图4a）观察了原始连续碳纤维（CCF）及不同编织密度电极的表面形态。结果显示，随着编织密度的增加，纤维在电极中的排列变得更加紧密，有助于提高电极的力学稳定性。图4b 则展示了编织电极的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像，表明碳纤维被均匀包覆在PVA基固态电解质壳中，从而消除了阳极与阴极之间短路的可能性。

图5. α-MnO2纳米线电极超级电容器的电化学性能。

  原始文献

  Yang, Z., Tang, K., Song, W., Ren, Z., Wu, Y., Kim, D., ... & Jiang, Y. (2024). Coaxial direct writing of ultra-strong supercapacitors with braided continuous carbon fiber based electrodes.Chemical Engineering Journal, 155875.

  原文链接 https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155875