在电容器的日常便携和集成化应用中，纤维基织物超级电容器具有巨大优势。然而，纤维电极中填料或桥接剂的加入和自身小体积会降低电导率和比表面积，导致低能量密度，难以达到实际应用要求。

  近期，西安工程大学纺织科学与工程学院刘哲教授团队基于荷花茎启发，以MXene/CNT构筑纤维内部三维交缠结构，CNT模仿其木质部的导管。通过在纤维表面覆盖PEDOT:PSS作为保护皮层，提升纤维的电化学活性。MXene为连接CNT（导管）和PEDOT:PSS（皮层）的韧皮部，实现高效的能量储存。CNT作为纤维中的“导管” 能够增大纤维比表面积，加快离子传输。此外，在纤维拉伸时能够承受外力时协同分担作用力，从而提升纤维的机械性能。这种通过结构调控构建三维结构的纤维电极，极大程度上增加了其比表面积，提高比电容与拉伸强度。最终制备的纤维在1 M H₂SO₄电解液中表现为417.8 F/cm3（0.5 A/cm3）的高体积比电容和优异的倍率性能。用纤维编织成的织物超级电容器可以提供3.2 V的工作电位窗口，点亮LED 15 min，点亮电子表超过45 min。本研究创新性地提出仿生纤维三维结构调控策略，有效克服了智能纺织品储能器件能量密度低的关键瓶颈，显著延长了织物超级电容器的供电时间，为可穿戴电子设备的实际应用提供了重要支撑。该工作以“Microstructural Design of 3D Intertwined Biomimetic Composite Fibers for Functional Smart Textiles in Energy Storage”为题发表在《Small》上。

图1：织物超级电容器的设计与制备。 (a) 能量存储设备与纺织品的结合。(b) 储能织物的制备过程。(c) 荷花茎拉断后露出的导管组织。(d) MXCP纤维对应荷花茎的仿生结构。 (e) MXCP纤维制备过程图。(f) MXCP纤维结构图。(g)  MXCP纤维细节结构图。(h) 织物超级电容器及其结构示意图。(i) 织物超级电容器作为表带为手表供电。(j) 织物超级电容器为电子表供电超45min。

  如图2所示，MXene/CNT纤维最优性能可达到拉伸强度从26.5 Mpa，质量比电容261.3 F/cm3。

图2：MXene/CNT纤维的形貌及性能展示。MXene/CNT纤维的(a) SEM图，(b)拉伸强力，(c) 奈奎斯特曲线，(d) CV曲线 (5 mV/s)，(e) GCD曲线 (1A/cm³)，(f) 体积比电容对比图。(g) MXene/CNT (90wt%) 纤维与MXene纤维的XRD图谱。

  模仿荷花茎结构，采用拉伸浸渍的方法在MXene/CNT 纤维表面附着PEDOT:PSS制备MXCP (MXene/CNT/PEDOT:PSS) 仿生纤维。最终实现2741.7 S/cm的高电导率，54 MPa的拉伸强度，416.3 F/cm³的比电容。

图3：MXene-CNT纤维和MXCP纤维的表面形貌和XRD、XPS表征。(a)MXene-CNT纤维的SEM图 (b) MXCP₁纤维的SEM图。(c) MXCP₂纤维的SEM图。(d) MXCP₃纤维的SEM图。(e) MXCP₄纤维的SEM图。(f) MXCP₅纤维的SEM图。(g) MXene/CNT纤维和MXCP纤维的XRD图谱。MXene/CNT和MXCP纤维(h) S 2p，(i) C 1s，(j) O 1s，(k) Ti 2p的XPS图谱。

图4：MXCP纤维断裂机制和电化学性能分析。(a) MXCP纤维实物图。(b) MXCP纤维仿生结构图。(c) MXCP纤维拉伸过程。(d) 纤维内部CNT的三维交缠结构。(e) CNT的断裂。(f) MXCP纤维的直径。MXCP纤维的(g) 拉伸强力，(h) 奈奎斯特曲线，(i) CV曲线 (5 mV/s)，(j) GCD曲线 (0.1A/g)，(k) 体积比电容。

  根据GCD计算纤维超级电容器的体积比电容。在0.1 A/cm³下表现为84.8 F/cm³的体积比电容。计算不同功率密度下的能量密度，在216 mW/cm³的功率密度下，最大能量密度达到15.3 mW·h cm^-3。纤维电极组装成为织物超级电容器，当串联4个织物超级电容器时，有最大工作电位窗口为3.2 V，这说明织物超级电容器的工作电压范围为0~3.2 V。如图5g所示，织物超级电容器可以点亮0.04 W的蓝色LED。如图5h显示，织物超级电容器也可点亮绿色LED，且点亮LDE的时间都能达到15 min。最后，将织物超级电容器制备成护腕连接手表，如图5i，可以很好的为手表供电超过45 min。

图5：MXCP₃纤维在超级电容器中的应用。纤维超级电容器(a) 不同扫描速率下的CV曲线，(b) 不同电流密度下的GCD曲线，(c) 不同弯曲角度下电容保持值，(d) 充放电循环稳定性和电容保持值（1A/cm3），(e) 串联提供3.6 V工作电压，点亮电子表、绿色和红色LEDs。(f) 串联1~4个织物超级电容器的CV图。(g) 织物超级电容器点亮蓝色LED，(h) 绿色LED。(i) 织物超级电容可作为表带为手表供电，应用在智能可穿戴服装中可为各类电子产品供电。

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202504594