作为生活中通用的必需品，传统服饰仅具有保暖、蔽体等功能。近年来，随着物联网、元宇宙等技术的革新，发展多功能、智能化的可穿戴纺织品成为未来社会重要地发展方向。我们开发了一款可编织的纤维状储能器件，能够给穿戴电子器件提供稳定的能量，有望应用到国家重大需求的健康医疗、智能芯片、军事国防等领域。
据了解，该纤维状储能器件本质上是具有柔性的超级电容器，其呈现出容量高、可编织、充电快、稳定安全等优势。该柔性电容器的容量远超商业化双电层电容器；快充速度和可充电次数是锂离子电池的10倍以上，能够为柔性芯片、可植入器件、医疗设备等供电。
浙江理工大学武观研究员和南京工业大学暴宁钟教授团队合作，采用微流控纺丝新策略，一步法原位反应构筑了具有垂直结构与高活性的复合纤维材料，用于高性能纤维状超级电容器。该研究成果于近日以“Microfluidic-Assembled Covalent Organic Frameworks@Ti3C2Tx MXene Vertical Fibers for High-Performance Electrochemical Supercapacitors”为题发表在国际顶尖刊物《Advanced Materials》上。该论文的第一作者为浙江理工大学材料科学与工程学院在读博士生朱小琳。
武观研究员表示：“近年来，全球碳排放爆发式增长导致环境问题日益严重，在此严峻形势下，我国提出了碳达峰、碳中和的气候目标，这其中，开发高效的储能器件是减少碳排放的重要途径之一。然而，传统储能纤维电极受限于无序/致密的微结构与低的孔隙率，从而造成电子传导、离子传递/存储受阻；另外，活性位点不足，活性材料与导电网络界面耦合差，致使电荷界面传质慢，导致器件的能量密度难以进一步提升。因此，如何设计纤维的纳微结构与活性组分，用于高性能电化学储能器件，成为本领域极具挑战性的课题之一。”
基于上述问题，该工作以高导电二维MXene和多孔活性共价有机框架COF-LZU1材料为纤维构筑基元，通过微流控纺丝技术一步法原位反应制备出具有垂直结构与高活性的VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1储能纤维材料。设计的VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1复合纤维表现出较低的H+吸附能垒、快速的离子传输通道、丰富的可及活性位点、良好的界面耦合作用等优点，使得纤维状超级电容器呈现出高能量密度、大比电容、快速充放电与长循环寿命。
文章要点：
(1) VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1复合纤维的构筑。通过调控微通道构型、流体传递与原位反应过程，将二维MXene和COF-LZU1的前驱体在微通道内进行高效组装反应，制备出VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1复合纤维。基于流体力学计算 (CFD) 模拟微通道内流场和传质状态，研究了微通道内流体传递、膨胀率/剪切率等过程调控二维基元垂直排列与限域反应行为，构筑了具有垂直结构和高活性负载的纤维材料。
图1. VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1复合纤维的微流控纺丝制备、流体力学计算与形貌图。
(2) VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1复合纤维的电化学性能。VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1 (30%) 纤维具有垂直通道和大比表面积，有利于提升离子的扩散动力学和可及表面存储，进而提高复合纤维的电化学性能。在1 M H2SO4液态电解质中，其展现出大的容量(787 F g-1) 和优异的倍率性能。基于分子动力学(MD) 模拟和第一性原理密度泛函理论(DFT) 计算结果表明：垂直有序多孔通道降低了H+在VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1纤维层内的扩散能垒(从-4.18到-4.59 eV)，强化了离子动力学传输速率，实现了离子快速传递和存储过程。
图2. VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1纤维电化学性能对比图与储能机理图。
(3)固态纤维状超级电容器的构筑与可穿戴应用。进一步将VA-Ti3C2Tx@COF-LZU1复合纤维组装成全固态非对称型纤维状超级电容器器件 (FASCs)，其呈现出良好的比电容 (398 F g-1)、高能量密度 (27 Wh kg-1)和长循环稳定性。将FASCs进行串并联，实现了电压或电流的成倍提升，满足了实际应用中设备对高工作电压和容量的需求；将封装后的FASCs集成到织物中，能够稳定地为手表、显示器、电动马达等供电；将FASCs与传感器集成，设计出可穿戴能源-传感器件，该器件可实时稳定地监测人体脉搏等生理信号。
图4.固态FASCs的电化学性能和实际应用图。
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全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202307186
来源：高分子科学前沿
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