西安工程大学孙润军教授、董洁副教授团队 ESM：1D纤维电极 - 开启可穿戴设备新纪元，未来技术的前沿探索

2025-03-02 来源：高分子科技

随着可穿戴电子设备的快速发展，传统刚性电极在柔性、轻量化和生物兼容性方面的局限性日益凸显。在此背景下，纤维电极凭借其独特的结构优势与多功能性，成为推动可穿戴技术革新的关键。近期发表于《Energy Storage Materials》的综述文章《Application progress and challenges of 1D fiber electrodes in wearable devices》系统总结了该领域的研究进展，从材料设计、制备技术到实际应用，全面剖析了纤维电极的潜力与挑战，为未来研究方向提供了重要参考。本文旨在为读者提供该领域的全面概述。文章第一作者为西安工程大学博士生程文平，文章通讯作者为西安工程大学孙润军教授和董洁副教授。

纤维电极的结构优势与技术潜力

纤维电极以一维线性结构为基础，结合碳纳米管、石墨烯等高导电材料的特性，展现出卓越的机械柔性与电化学性能。其轻量化设计不仅能够无缝集成于纺织品中，还可适应人体动态活动中的反复拉伸与弯曲，显著提升了穿戴舒适性。此外，纤维电极的多功能集成能力使其在能量存储、传感监测及生物医学等领域展现出广阔应用前景。例如，基于碳纳米管的纤维超级电容器可编织为柔性“能源布料”，为智能衣物提供持续电力；而银纳米线修饰的纤维传感器则能实时监测生理信号，推动个性化健康管理的发展。

图1. 综述了纤维电极的材料、制备工艺及其在实际工程中的应用前景。纤维电极覆盖多种基础科学和技术。

材料创新与制备技术的协同突破

纤维电极的性能高度依赖于材料选择与制备工艺的优化。天然纤维如棉花和丝绸通过碳化或导电涂层改性，可在保留生物兼容性的同时实现导电功能，为低成本、可持续的电极材料提供了新思路。碳基材料（如石墨烯纤维）凭借高比表面积和快速离子传输路径，成为高能量密度储能设备的理想选择。金属材料虽具有优异的导电性，但其氧化问题与生物毒性仍需通过表面功能化或复合设计加以解决。在制备技术方面，化学气相沉积（CVD）和电化学沉积（ED）能够精确控制导电层的微观结构，而湿法纺丝与3D打印技术则为大规模生产复杂结构的纤维电极提供了可能。然而，现有工艺在成本效率与规模化生产方面仍面临瓶颈，未来需进一步开发绿色、低能耗的制造方法。

图2. a)实验设计示意图：考察水热温度和时间对棉纱碳化、氧化石墨烯还原和RC纱电极储能性能的影响；b)孔隙体积小于0.90 nm对CO捕获能力和电化学电容至关重要；c)可注射肿瘤治疗纤维装置的工作机理、结构表征、电化学性能及细胞相容性：(1)注射入肿瘤过程示意图。(2)光纤器件的工作机理，阴极上的ORR释放羟基离子。(3)、(4)光纤阴极、阳极的SEM图像；d) CNGF样品制备工艺示意图。

图3. a) LM-TENG纤维结构；b) galinstan改性碳纤维（G-CFs）的制备；c)乳酸检测效应的制备示意图。

图4. a) CoZn/N-CNFs的合成过程示意图；b) f-CNTs/GSs和EP复合材料的制备过程示意图。

图5. a) TET纤维的制作工艺示意图；b)整个电化学反应示意图及h型电池组成和原理；c)采用镍层双氢氧化物（Ni-LDH）和原位钴金属有机骨架（Co-MOF/Ni-LDH@CF）结合双连续环氧树脂结构电解质两步法制备的碳纤维电极结构超级电容器，并附有相应材料的电镜图像；d) (a) Ni3S2-NiGFs样品制备和不对称FSCs示意图。

图6. a) CVD法SnO₂颗粒生长示意图；b)化学气相沉积法CNTF纤维示意图及CNT和CNTF的形成机理；c) PANI-ACF的制备工艺示意图；d)利用功能化CFEs检测单细胞DA的电化学传感平台示意图。

应用场景：从实验室到实际落地的跨越

在能量存储领域，纤维电极已成功应用于柔性超级电容器和锂金属电池，其高功率密度与循环稳定性为可穿戴设备提供了可靠的能源解决方案。例如，石墨烯/锌锰氧化物复合纤维电池在机械冲击与清洗测试中表现出优异的耐久性，展现了其在智能纺织品中的实用价值。在健康监测方面，纤维电极通过集成传感功能，可实时检测人体运动、心率及代谢指标，甚至探索了在肿瘤电化学治疗中的潜在应用。此外，基于摩擦纳米发电机（TENG）的纤维电极能够将人体机械能转化为电能，为自供电系统的实现提供了新路径。这些应用不仅拓展了可穿戴设备的功能边界，也为医疗健康与物联网技术带来了革新机遇。

图7.a) SACFSC制造工艺示意图；b) (1) Ti?C?T?MXene溶液（MXene相）的制备工艺。(2)全纤维压阻式压力传感器的制作原理图。(3)传感器透气特性说明；c) ALD/c-li复合电极制作过程的数码照片；d)复合材料V?O?@C中空纤维的密闭制备。

图8. a)高强度氧化石墨烯/碳纳米管- tpu混合纤维和纺织品的制造工艺示意图；b)螺旋纤维的显微和扫描电镜图像；c)电极合成策略；d) PAN-MFO柔性独立式阳极结构设计示意图；e) PDC@rGF纤维电极的制作及电极界面增强示意图；f)光纤基固态超级电容电池制备原理图。

图9. a) cu /rGO器件模型示意图；b)聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）/还原氧化石墨烯/聚磷酸酯（PEDOT:PSS/rGO/PPy，简称PGP）杂化纤维基柔性纤维形超级电容器（FSSC）的制备工艺；c) Sn-MOF@PAN-X和SCNP的制备示意图；d) (1) G/Zn-MnO₂@SYBs与腈纶纱织成的能源超级织物示意图。这种面料具有优异的耐洗性和抗锤性，还可以为手机充电。(2) G/Zn-MnO2@SYB的制备工艺示意图。

图10. a) (1) CCF/PDMS制备示意图。(2)纤维素的化学结构。(3)、(4)棉纤维和CCF的FESEM图像；b)网格制作流程示意图；c)纤维电极的制作工艺；d)用于改善慢性神经记录质量的PEDOT/SNP （MT）包覆电极示意图。

图11. a)(1)充电电路条件。(2)放电电路条件及LED照明。(3)控制无线通信电路的蓄电电路原理图；b)(1)设置测量由声音振动驱动的AAPNG的周期性输出尖峰（音乐播放时LED亮起）。(2) AAPNG机构驱动电容存储，使红色LED和LCD显示激活的原理图。(3) AAPNG制备工艺图；c)利用AANWs导电纳米网络制备的EC纤维结构示意图；d)黑白电子墨水微胶囊显示结构示意图。

挑战与未来研究方向

尽管纤维电极展现出显著优势，其实际应用仍面临多重挑战。动态使用环境下的机械-电化学稳定性问题亟待解决，导电网络的断裂与界面失效可能导致性能衰减。通过材料复合（如碳-聚合物杂化体系）与表面工程（如功能化涂层）优化电极结构，是提升耐久性的关键策略。此外，现有制备技术的高成本与低效率限制了规模化生产，开发基于可持续原料（如生物质衍生碳）的绿色工艺成为重要方向。在生物医学领域，金属纳米材料的潜在毒性要求研究者进一步探索高生物兼容性材料（如导电水凝胶）的应用。未来研究需聚焦于多功能集成设计，例如将能量存储、传感与自供电功能融合于单一纤维体系中，同时推动跨学科合作以加速技术转化。

纤维电极作为可穿戴设备领域的颠覆性技术，正逐步从实验室研究走向实际应用。其在柔性电子、健康监测与绿色能源中的多维潜力，预示着一个高度集成化、智能化的可穿戴未来。然而，材料性能的优化、制备技术的革新以及生物安全性的提升仍是实现商业化落地的核心课题。随着纳米技术与制造工艺的持续进步，纤维电极有望引领下一代可穿戴设备的创新发展，为人类生活与健康管理带来深远影响。

本文内容基于《Energy Storage Materials》期刊综述《Application progress and challenges of 1D fiber electrodes in wearable devices》，更多技术细节与数据请参阅原文。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104059

下载：Application progress and challenges of 1D fiber electrodes in wearable devices

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（责任编辑：xu）

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