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江苏大河纺织有限公司魏取福教授团队《Nano Energy》:可编织的锌基电池,增强机械变形稳定性和服装适应性

发布时间:2024-06-07浏览次数: 次 来源:   功能纺织材料研究室编辑:江苏大河纺织有限公司

    智能可穿戴电子设备的发展极大地推动了可穿戴储能设备的发展。其中,一维纤维锌基电池具有灵活性,可变形性和小型化潜力,使其易于集成到织物中并适应各种形状,为下一代可穿戴电子产品提供了方便的电源解决方案。表面生长策略构建高效纤维阴极的策略已有报道,但是在大多数表面生长工程技术中,纳米结构和柔性衬底之间的界面粘附不足会导致不可逆的裂纹和反复的机械变形(如弯曲、扭曲和拉伸)后的严重剥落。此外,大多数纤维电池的组装结构为阴极纤维和阳极纤维的缠绕或嵌套,这需要一系列精确的封装和复杂的制备来避免短路,同时保证其性能稳定性。同时,这种电池通常直径较大,限制了它们的柔韧性和与纺织品的集成/兼容性。

    江苏大河纺织有限公司魏取福教授团队和高丽大学Sam S. Yoon教授团队提出了将表面生长工程与湿法纺丝策略结合,构建了核壳状结构的纤维电极。NiCo2S4@rGO纳米复合材料中,还原氧化石墨烯(rGO)的高导电性网络提高了纳米复合材料的电子传递效率,同时作为限域生长基材增强了NiCo2S4纳米粒子的稳定性,抑制了NiCo2S4纳米粒子的自团聚,减缓了NiCo2S4纳米粒子在充放电循环中的体积变化和结构崩塌。通过湿法纺丝制备的纤维阴极将NiCo2S4@rGO高性能纳米复合材料与rGO/CNTs双导电网络集成在一起,高可纺性的PU赋予纤维优异的力学性能和机械柔性,实现了在各种机械变形下的稳定运行和优异的电化学性能。由于在凝固浴中的固化速率不同,快速固化形成的壳层保护了内部芯层在各种机械变形中可能产生的断裂和剥落。最后,采用独立阴极和独立阳极分别编织的技术,组装形状可调、服装兼容的柔性锌基电池,具有卓越的电化学性能、输出稳定性和机械变形耐久性。该文章发表在国际顶级期刊Nano Energy上,博士生程新跃为本文第一作者。

图1制造NiCo2S4@rGO纳米复合材料、NiCo2S4@rGO-PU-CNTs纤维阴极和蛇形足迹织物锌基电池的示意图。

    本文通过水热和湿纺的耦合策略,制造了具有可定制长度和核壳状结构的可拉伸复合纤维阴极。所制备的复合纤维阴极将NiCo2S4@rGO高性能纳米复合材料与rGO/CNTs双导电网络集成在一起,实现了在各种机械变形下的稳定运行和优异的电化学性能。将复合纤维阴极应用于织物锌基电池中,由于稳定的纳米复合材料集成、核壳状结构和高效的双导电网络的综合作用,获得了令人满意的放电容量(175.29 mAh g-1, 0.088 mAh cm-1)、优异的循环性能(循环150次后保持率85.6%)和优异的机械耐久性,可以有效地用作电子器件的连续能源供应。本文提出的加工策略为制造稳定且可拉伸的复合纤维阴极提供了一个实用方法,同时为先进可穿戴能源纺织品的开发提供新思路。