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  近日，中科院1區(qū)期刊《Chemical Engineering Journal》發(fā)表了Embry-Riddle Aeronautical University (ERAU) 在基于連續(xù)編織碳纖維電極的超強(qiáng)超級(jí)電容器共軸直寫技術(shù)方面的研究，論文標(biāo)題為“Coaxial direct writing of ultra-strong supercapacitors with braided continuous carbon fiber-based electrodes”，第一作者為楊卓元 (Zhuoyuan Yang)，通訊作者為江一舟助理教授 (Yizhou Jiang)。

  該研究首次展示了一種通過共軸直寫技術(shù)一步制造編織柔性固態(tài)超級(jí)電容器的方法。連續(xù)碳纖維被用作柔性基底，α-二氧化錳納米線和活性炭作為活性材料。整個(gè)電極組件用固態(tài)電解質(zhì)包覆并進(jìn)行編織。通過共軸直寫技術(shù)，編織電極和密封件可以通過共軸噴嘴擠出，實(shí)現(xiàn)自由形態(tài)的超強(qiáng)超級(jí)電容器，編織電極的抗拉強(qiáng)度高達(dá)636 MPa。電化學(xué)測(cè)試表明，打印的超級(jí)電容器表現(xiàn)出優(yōu)異的比電容，在1000次循環(huán)后仍保持90.1%的電容保持率。此外，超級(jí)電容器在不同彎曲角度下展現(xiàn)出幾乎相同的電化學(xué)性能。這項(xiàng)研究為將高耐久性和適應(yīng)性集成到下一代可穿戴和便攜式電子設(shè)備中鋪平了道路。

  圖2展示了α-二氧化錳（MnO2）納米線的形態(tài)及其在連續(xù)碳纖維上的沉積。圖2(a) 顯示了α-MnO2 納米線的X射線衍射（XRD）圖譜，證明了其高純度及晶體結(jié)構(gòu)。圖2(b, c) 的掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）圖像揭示了納米線的均勻形態(tài)。

圖2. α-二氧化錳（MnO?）納米線的形態(tài)及其在連續(xù)碳纖維上的沉積。

  圖3展示了硅膠封裝材料在共軸直寫超級(jí)電容器制造中的流變性及打印過程控制。圖3(a) 顯示了硅膠封裝的表觀粘度隨剪切速率變化的曲線，表明其具有良好的剪切變稀特性，有助于在打印過程中實(shí)現(xiàn)流動(dòng)性控制。圖3(b) 則展示了硅膠在不同振蕩應(yīng)力下的儲(chǔ)能模量 (G'''') 和損耗模量 (G") 變化，證明材料在低應(yīng)力下具有彈性特性，在高應(yīng)力下表現(xiàn)出粘性行為。

  他們測(cè)試了Dragonskin 30硅橡膠和Aeropoxy樹脂墨水的流變和固化性能。添加增稠劑后，Dragonskin 30墨水的剪切速率與表觀粘度關(guān)系顯著改善（圖4a）。類似地，Aeropoxy樹脂墨水在添加二氧化硅后也顯示出更好的流變性能（圖4d）。固化測(cè)試表明，兩種墨水在不同加熱條件下都能快速固化（圖4c和圖4f）。

  圖4 展示了不同編織密度的碳纖維電極在力學(xué)性能方面的表現(xiàn)。研究通過光學(xué)顯微鏡（圖4a）觀察了原始連續(xù)碳纖維（CCF）及不同編織密度電極的表面形態(tài)。結(jié)果顯示，隨著編織密度的增加，纖維在電極中的排列變得更加緊密，有助于提高電極的力學(xué)穩(wěn)定性。圖4b 則展示了編織電極的橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，表明碳纖維被均勻包覆在PVA基固態(tài)電解質(zhì)殼中，從而消除了陽(yáng)極與陰極之間短路的可能性。

圖5. α-MnO2納米線電極超級(jí)電容器的電化學(xué)性能。

  原始文獻(xiàn)

  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.

  原文鏈接 https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155875