惊！北京服装学院研究发现：新材料可穿戴超级电容器问世！

成果简介

纤维基超级电容器由于其独特的电化学性能和机械灵活性优势，是可穿戴电子和储能纺织品领域的潜在电源，但实现高能量密度和实用的能源供应仍面临一些挑战。本文，北京服装学院张梅 副教授团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Enhancing Electron/Ion Transport in SnO2 Quantum Dots Decorated Polyaniline/Graphene Hybrid Fibers for Wearable Supercapacitors with High Energy Density”的论文，研究报道了一种微流体辅助湿法纺丝的方法来制备SnO2量子点封装的聚苯胺/石墨烯杂化纤维（SnO2QDs@PGF)通过将聚苯胺均匀地掺入石墨烯纤维中并共价桥接SnO2量子点。

制备的SnO2QDs@PGF纤维型柔性超级电容器在PVA/H2SO4中表现出925 mF cm–2的超大比表面积电容、优异的倍率性能和8000次循环后88%的电容保持率，表明SnO2QDs@PGF具有接近理想的电容特性、有效的离子转移速率和良好的循环稳定性。在EMITFSI/PVDF-HFP电解质系统中，SnO2QDs@PGF实现2.5 V的宽工作电位窗口，678.4 mF cm–2的比表面积电容，在500μW cm–2时的能量密度为147.2μWh cm–2，可用于为闹钟、电子计时器和台灯供电，需要3 V电池。SnO2的卓越性能QDs@PGF可归因于颗粒聚苯胺和石墨烯纳米片的分子水平均匀复合物以及SnO2量子点和PGF之间采用的界面C-O-Sn共价偶联策略。这些途径不仅有效地防止了石墨烯纳米片的不希望的重新堆积，而且增加了层间电活性位点、有序的离子扩散通道和强界面电荷转移。

图文导读

图1. SnO2QDs@PGF 的制备

图2：(a) 化学聚合 PANI 的 SEM 和 (b) TEM 图像。(c, d)SnO2QDs 和 (e, f) 均质 PANI/GO 纺丝溶液的高分辨率 TEM 图像。(g、h）PGF 的截面 SEM 图像。(i、j）SnO2QDs@PGF 的侧面和（k、l）横截面 SEM 图像。(m-q）SnO2QDs@PGF 的 C、N、O 和 Sn 元素的 EDS 图谱。

图3、（a）SnO2QDs、PANI、GF、PGF 和SnO2QDs@PGF 的 XRD 和（b）拉曼光谱。(c-f)SnO2QDs@PGF 的 XPS 光谱。

图4. 由 GF、PGF 和SnO2QDs@PGF 在PVA/H2SO4凝胶电解质中组装而成的纤维型对称柔性超级电容器的电化学性能。

图5. SnO2 QDs@PGF 和 PGF 在 EMITFSI/PVDF-HFP 凝胶电解质中的电化学性能

图6：（a，d）五个串联的SnO2 QDs@PGF FSC 为电子设备供电的示意图。SnO2 QDs@PGF FSCs 的实际应用为（b）电子定时器、（c）闹钟和（e、f）台灯供电，只需3V电池。

小结

综上所述，我们提出了一种简单实用的方法，通过微流控技术结合湿法纺丝制备SnO2 QDs@PGF。制备出的SnO2QDs@PGF 在石墨烯纳米片上呈现出分子级的均相聚苯胺，并且由于SnO2QDs 通过 C-O-Sn 共价键原位生长在 PGF 上，因而具有优异的结构稳定性。多组分的有效结合和纳米尺度的强协同效应增强了界面电荷转移、比面积电容、能量密度和实际应用。在H2SO4/PVA 凝胶电解质中，即使在 1.6 mA cm-2的大电流密度下，SnO2QDs@PGF FSCs 也能表现出 925 mF cm-2的高比电容和 336 mF cm-2 的良好速率容量。

对于离子液体凝胶电解质，SnO2QDs@PGF FSCs 在 0-2.5 V 的宽工作电位窗口下实现了 678.4 mF cm-2的比电容和 147.2 μWh cm-2的能量密度，可以为电子设备供电。这项研究为先进纤维电极和高性能便携式储能设备的可控构建提供了一条重要途径，促进并拓宽了未来可穿戴电子设备的实际应用。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsami.4c03187