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南工大陳蘇團(tuán)隊(duì) 《Adv. Mater.》：微流控紡絲化學(xué)法大規(guī)模制備纖維無(wú)紡布電極新成果

2023-06-27 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：微流控紡絲纖維無(wú)紡布電極導(dǎo)電聚合物高功率密度柔性超級(jí)電容器

高功率和能量密度的儲(chǔ)能材料對(duì)于降低能耗和可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。通過(guò)各種先進(jìn)技術(shù)對(duì)儲(chǔ)能材料進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)高性能電池和超級(jí)電容器提供有效解決方案。但如何在微/納尺寸范圍內(nèi)設(shè)計(jì)復(fù)雜微通道以精確控制二維材料的微觀形貌和結(jié)構(gòu)取向，并且開(kāi)發(fā)層間低范德華力、可調(diào)層間距和原位異質(zhì)復(fù)合電極材料仍是一個(gè)難題。因此，探索低成本、高效便捷的方法和合適的先進(jìn)材料來(lái)制造理想的高能量密度柔性電極是當(dāng)前高度關(guān)注的問(wèn)題。

針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題，南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院、材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳蘇教授與合肥工業(yè)大學(xué)沈益忠教授合作，創(chuàng)新性地探索出一種利用微流控紡絲化學(xué)法將高性能導(dǎo)電材料制備出新型纖維無(wú)紡布電極的方法，并以此纖維無(wú)紡布上負(fù)載導(dǎo)電聚合物，充分發(fā)揮雙電層電容性碳基材料與贗電容材料之間的協(xié)同效應(yīng)，獲得高功率密度、高能量密度以及長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性的柔性超級(jí)電容器電極材料。首先，針對(duì)傳統(tǒng)制備柔性纖維無(wú)紡布電極材料存在力學(xué)性能差、透氣性差、比表面積小及難以規(guī)�；葐�(wèn)題。首次提出微流體螺旋濕法紡絲化學(xué)法（微流體螺旋濕法紡絲機(jī)由南京捷納思新材料有限公司與南京貝耳時(shí)代科技有限公司聯(lián)合研制提供）制備了MXene/石墨烯量子點(diǎn)三維致密多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)纖維無(wú)紡布電極材料。通過(guò)微尺度下的結(jié)構(gòu)調(diào)控，將石墨烯量子點(diǎn)與MXene交聯(lián)形成點(diǎn)/片結(jié)構(gòu)，使復(fù)合纖維的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率提高了2.5倍。PANI納米陣列包裹在電極表面增加更多的微孔和介孔，并提供了更大的表面積和更多的離子擴(kuò)散通道，降低了離子傳輸所需的能壘。微流控紡絲化學(xué)下的過(guò)程強(qiáng)化，構(gòu)筑了PANI@MXene/GQDs多尺度纖維電極，表現(xiàn)出良好的機(jī)械靈活性、出色的比電容（547 F g^-1和1829 F cm^-3）、超高的能量密度（6.34 Wh kg^-1和21.19 mWh cm^-3）以及良好的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的濕紡和靜電紡絲策略相比，微流控紡絲化學(xué)策略可以對(duì)微通道中反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行精確調(diào)控，無(wú)需聚合物粘合劑輔助，即可將MXene等導(dǎo)電材料通過(guò)微流控濕法組裝構(gòu)筑無(wú)紡布電極。

圖1.微流控合成纖維無(wú)紡布電極示意圖。(a)通過(guò)MILD方法剝離MXene納米片。(b)MXene/石墨烯量子點(diǎn)無(wú)紡布電極的微流控濕熔組裝和聚苯胺在無(wú)紡布上原位聚合生長(zhǎng)示意圖。

圖2. MXene基無(wú)紡布的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分表征。(a)PANI@Ti₃C₂T_x/GQDs無(wú)紡布電極的SEM圖像。(b-d)放大的表面SEM圖像。(e-g) 無(wú)紡布中對(duì)Ti，C和N元素的EDS表征。(h)顯微紅外圖像對(duì)羰基分布密度表征。(i-l)無(wú)紡布中對(duì)Ti 2p、C 1s、N 1s和O 1s的XPS表征。(m) XRD表征。(n)拉曼光譜。(o)孔徑分布表征和比表面積對(duì)比。

圖3. 1 M H₂SO₄電解質(zhì)中的復(fù)合電極的電化學(xué)性能和儲(chǔ)能機(jī)理。(a)Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x /GQDs和PANI@ Ti₃C₂T_x /GQDs材料在10 mV s?1掃描速率下的CV曲線。(b)電流密度為 1 A g^-1 的GCD曲線。(c)三種結(jié)構(gòu)材料的 EIS 測(cè)試，插圖：奈奎斯特圖和等效電路模型的凹陷半圓。(d)不同電流密度下的質(zhì)量比電容。(e)b值確定歸一化陰極峰值電流。(f)不同掃描速率下復(fù)合材料的電容貢獻(xiàn)。(g)三種結(jié)構(gòu)電極材料中離子分布的示意圖。

圖4. 聚苯胺含量對(duì)復(fù)合材料電化學(xué)和力學(xué)性能的影響分析以及固態(tài)電解質(zhì)下無(wú)紡布電極的電化學(xué)性能。(a)Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x /GQDs和PANI@ Ti₃C₂T_x /GQDs材料的熱重分析曲線。(b)掃描速率為10 mV s^-1時(shí)，不同 PANI 含量復(fù)合材料的CV曲線。(c)電流密度為1 A g^-1的復(fù)合材料的GCD曲線。(d) 不同 PANI 含量復(fù)合材料的質(zhì)量比電容。(e)三種結(jié)構(gòu)材料的拉伸測(cè)試。(f)無(wú)紡布電極的柔性示意圖。(g) H₂SO₄/PVA 凝膠電解質(zhì)下，固態(tài)超級(jí)電容器的的CV曲線。(h)GCD曲線。(i)質(zhì)量比電容。

圖5. 固態(tài)超級(jí)電容器的彎曲循環(huán)穩(wěn)定性和實(shí)際應(yīng)用圖。(a)循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試。(b)彎曲穩(wěn)定性測(cè)試。(c)功率密度和能量密度對(duì)比圖。(d)能源集成系統(tǒng)示意圖。(e)固態(tài)超級(jí)電容器為LED燈和智能電子設(shè)備供電實(shí)物圖。

圖6. 微流體螺旋濕法紡絲機(jī)（南京捷納思新材料有限公司與南京貝耳時(shí)代科技有限公司聯(lián)合研制）

該研究成果于近日發(fā)表在國(guó)際重要刊物《Advanced Materials》上。(Robust PANI@MXene/GQDs based fibre fabric electrodes via microfluidic wet-fusing spinning chemistry, Advanced Materials. 2023)。南京工業(yè)大學(xué)博士研究生邱慧為第一作者。南京工業(yè)大學(xué)陳蘇教授與合肥工業(yè)大學(xué)沈益忠教授為共同通訊人。

該課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家青年自然基金、江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程、材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等基金的資助和支持。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202302326

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（責(zé)任編輯：xu）

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