DOI: 10.1007/s42765-023-00304-5

可拉伸超级电容器（S-SCs）作为可穿戴电子产品和智能产品的潜在储能设备，引起了人们的极大兴趣。然而，在大变形下实现高能量密度和稳定输出仍然是一个紧迫的挑战。在此，本研究开发了一种基于坚固、异质结构石墨烯-聚苯胺（G-PANI）锚定分层织物（G-PANI@pcPU）的高性能S-SC。通过精确控制离心静电纺丝和PANI诱导的两步自组装过程，G-PANI@pcPU具有互连多孔骨架，为离子迁移/嵌入提供了途径，以及高机械柔性（伸长率：400%）和较大的面积（> 90cm2）。所得G-PANI@pcPU呈现出5093.7mF/cm2的超大比面电容（Careal）（G-PANI的质量负载约为35mg/cm2）以及在1M H2SO4电解质中的氧化还原可逆性。此外，基于G-PANI@pcPU织物的固态S-SCs显示出69.2μWh/cm2的高能量密度和3113.7mF/cm2的电容。更重要的是，S-SCs实现了优异的拉伸稳定性（5000次循环后电容保持率为84.1%）和可折叠性（5000次循环后的电容保持率为86.7%）。试验证实，S-SCs可稳定供电发光二极管（LED）（即使在100%应变下）、智能手表（即使在弯曲变形下）、玩具车和灯具等。这项工作为设计面向新能源和智能穿戴应用的先进柔性电极奠定了坚实的基础。

图1.G-PANI@pcPU的制备示意图。a）通过物理混合PU和PANI，利用离心静电纺丝制备cPU织物。b）两步自组装制备G-PANI@pcPU：PANI在cPU织物上的原位聚合，苯胺诱导GO的进一步还原

图2.a-c）G-PANI@pcPU的SEM图像。d-f）G-PANI的TEM图像。g）G-PANI中C、N和O元素的EDS图谱。h）大规模制备的照片。i）不同变形下G-PANI@pcPU的照片。j）折叠/展开状态下裁剪成不同形状的G-PANI@pcPU的照片

图3.G-PANI@pcPU织物的a）C1s 和b）N1s XPS光谱。c）GO和G-PANI的拉曼光谱和d）C1s XPS光谱。e）GO和不同G-PANI复合材料的FT-IR光谱。f）cPU和G-PANI@pcPU织物的机械性能。插图：承重140克的G-PANI@pcPU织物的照片。g）各种织物的水接触角

图4.电极在1M H2SO4电解液中的电化学性能。a）2mV/s下的CV曲线。b）2mA/cm2时的GCD曲线。c）cPU、pcPU、G-PANI-1@pcPU、G-PANI-2@pcPU和G-PANI@pcPU在不同电流密度下的比面电容以及d）EIS。插图：奈奎斯特图和相应的等效电路模型。e）G-PANI@pcPU织物的对数（扫描速率）与对数（峰值电流）图。f）不同扫描速率下的电容贡献。g）不同质量负载下G-PANI@pcPU的比面电容和h）CV曲线。i）负载为35mg/cm2的G-PANI@pcPU在不同电流密度下的比面电容

图5.对称G-PANI@pcPU S-SC的电化学性能。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）不同电流密度下的Careal。d）功率密度与能量密度及其比较。e）2mA/cm2时的循环稳定性。插图：最后20个循环的GCD曲线。f）单个S-SC、两个串联和并联S-SC在2mA/cm2的电流密度下的GCD曲线。g）折叠稳定性。插图：2mV/s下不同折叠角度的CV曲线。h）拉伸稳定性。插图：受到不同拉伸应变的S-SCs在2mV/s下的CV曲线和照片。i）S-SCs高储能性能的机制示意图

图6.实际供电应用的原型。a）S-SC在拉伸状态下为LED供电的照片。b）S-SC在弯曲状态下为电子表供电的照片。c）S-SC为玩具车供电的照片。d）三个串联S-SC为大功率灯供电的照片