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四川大学卢灿辉&张伟:由竹纤维素纳米纤维制备可编织可穿戴带状超级电容器

2022-07-08   易丝帮

纤维素纳米纤维(CNFs)作为一种极具吸引力的可再生天然纳米材料,在包括储能在内的诸多领域均受到了广泛关注。尽管在过去十年中取得了巨大进步,但仍存在一些技术挑战,尤其是在制造基于CNFs的可编制和可穿戴能源设备方面。在此,研究者提出了一种新的策略来制备这种带状超级电容器(SC),其本质上是受到中国传统竹编的启发。为此,首先从竹浆中提取CNFs,然后将其用于稳定碳纳米管(CNTs)水悬浮液。CNFs/CNTs悬浮液经真空过滤、切割成条带,然后原位生长聚苯胺(PANI),最终得到三元杂化条带。这种CNTs/CNFs-PANI条具有较高的机械强度和柔性。当直接用作组装带状全固态SCs的电极时,其显示出较高的柔性和电化学稳定性。有趣的是,这种SCs可以很容易地编织成织物,形成一种柔性可穿戴能源供应装置,并成功为可穿戴电子设备供电。

 

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图1.(a)CNTs/CNFs和CNTs/CNFs-PANI条带的制备过程示意图。(b)CNFs和(c)CNTs/CNFs水分散体的TEM图像。(d)CNTs、CNFs和CNTs/CNFs水分散体的Zeta电位。(e)CNTs/CNFs和CNTs/CNFs-PANI的数码照片。(f)CNTs/CNFs和(g)CNTs/CNFs-PANI的SEM图像。

 

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图2.(a)PANI、CNTs/CNFs和CNTs/CNFs-PANI的典型XRD图谱及(b)FTIR光谱。(c)CNTs/CNFs和CNTs/CNFs-PANI的XPS光谱。(d)CNTs/CNFs-PANI中N1s的高分辨率XPS光谱。

 

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图3.(a)对称水性SC的组装示意图。(b)由CNTs/CNFs-PANI构成的对称水性SC在不同电流密度下的GCD曲线以及(c)在不同扫描速率下的CV曲线。

 

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图4.(a)根据对称水性SC的GCD结果评估CNTs/CNFs-PANI的Cs。(b)指定能量和功率密度的Ragone图。

 

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图5.(a)由CNTs/CNFs-PANI构成的ASC在不同电流密度下的GCD曲线。(b)ASC在不同扫描速率下的CV曲线。(c)根据ASC的GCD结果评估CNTs/CNFs-PANI的Cs。(d)7.14A/g时的循环稳定性。

 

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图6.(a)条状ASC的制备及其结构示意图。(b)照片显示条形ASC可以弯曲和扭曲而不会损坏。(c)示意图和照片显示由四个串联带状ASCs编织成的纺织品可成功为电子手表供电。(d)自供电系统充电和放电过程的电路原理图以及显示由自供电系统供电的电子表的照片。

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