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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)超級電容器，編織電極的抗拉強(qiáng)度高達(dá)636 MPa。電化學(xué)測試表明，打印的超級電容器表現(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)流動性控制。圖3(b) 則展示了硅膠在不同振蕩應(yīng)力下的儲能模量 (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，從而消除了陽極與陰極之間短路的可能性。

圖5. α-MnO2納米線電極超級電容器的電化學(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