近期，新能源储存技术在科学研究、工业化生产等领域受到了广泛的关注，特别是在未来高端智能化的可穿戴设备行业（年产值280亿美元）。为了满足智能可穿戴市场供能的需求，开发具有轻质、高柔性、可折叠、高能量密度的储能设备是该领域的重大挑战及攻坚课题。
针对上述挑战，南京工业大学陈苏教授和武观老师通过微流控纺丝技术制备黑磷复合纤维无纺布电极，并将其构筑具有高能量密度输出的柔性超级电容器。通过在二维黑磷（BP）片层桥接一维碳纳米管（CNTs），增加黑磷片层间的电子传导、机械稳定性、离子扩散通道和氧化还原作用，从而促进离子在电极-电解质层界面处更快的传输及更多的累积。得益于这种异质结构和微流体纺丝的设计，获得基于无纺布电极的超级电容器表现出较高的能量密度和稳定形变供能能力，并成功实现为LEDs、智能手表、彩色显示屏等电子器件供能的应用。该方法不仅为先进电极材料的设计提供新思路，还极大促进柔性超级电容器在可穿戴电子领域的发展，有望取代微电池并广泛应用于新能源能量存储领域。该研究成果于近日发表在被国际重要刊物《Nature Communications》上。“Microfluidic-spinning construction of black-phosphorus-hybrid microfibres for non-woven fabrics toward a high energy density flexible supercapacitor, 2018, 9: 4573.”
图1. (a) BP-CNTs的合成以及钝化示意图；(b) 基于微流体纺丝技术制备黑磷复合纤维无纺布示意图；(c) 柔性超级电容器的构筑及应用示意图。
图2. (a)和(b) 在高低倍镜下的BP-CNTs的TEM图；(c) 高分辨率BP-CNTs的TEM图；(d), (e)和(f) 高倍镜下的BP-CNTs的EDS元素分布图；(g), (h)和(i)在高、中和低倍镜下BP-CNTs的SEM图；(j) BP的XPS元素分析图；(k) BP-CNTs的XPS元素分析图；(l) CNTs/BP和CNTs/BP-CNTs的孔径分布图。
图3. (a) 微流体纺丝技术制备黑磷复合纤维无纺布电极示意图以及弯曲性能图；(b), (c)和(d) CNTs, CNTs/BP和CNTs/BP-CNTs三种电极结构示意图；(e) 扫描速率为10mV s-1下柔性超级电容器的循环伏安曲线图；(f) 电流密度为0.1A cm-3下柔性超级电容器的充放电性能图；(g) 柔性超级电容器的电容性能对比图。(h)柔性超级电容器的阻抗分析对比图；(i) 柔性超级电容器的循环寿命性能对比图；(j) 无纺布电极超级电容器与其他电极超级电容器的能量密度与功率密度对比图。
图4. (a) 电流密度为0.1A cm-3下柔性超级电容器的弯曲状态循环稳定性图；(b)扫描速率为10mV s-1下柔性超级电容器的形变稳定性图；(c) 不同弯曲角度下，柔性超级电容器为LEDs的形变供能图；(d) 柔性超级电容器为智能手表供能图；(e) 两个电容包串联为彩色显示屏供能图。
图5. (a) 柔性超级电容器的结构原理图。(b) 柔性超级电容器与其他电容器的能量密度对比图。(c)三种不同结构电极的电荷分布图。(d)三种不同结构电极的电荷精确分布图。
