本文要点：

一种环保且可扩展方法，可扩展制备紧凑型芯-蓬松护套结构的可穿戴超级电容器的高性能纤维电极

成果简介

固态纤维超级电容器（FSC）轻巧，佩戴舒适且易于织入纺织品，是可穿戴电子设备中很有希望的储能设备。碳纤维（CFs）具有优异的机械强度和导电性，优异的柔韧性，被杂原子掺杂，良好的可编织性/可编织性的优点，最重要的是已经以连续牵引的形式以吨级生产；但是，由于惰性表面由高度压实且排列良好的石墨护套组成，因此它们在FSC中的应用仅限于集电器或导电支架。

受到香蒲独特的紧凑型核心蓬松皮结构的启发，该研究开发一种电化学方法，通过可控地溶胀排列良好的石墨鞘层而不会干扰互连的随机取向的碳纳米晶体的芯纤维，从而将碳纤维直接转变为高性能电极。与原始碳纤维相比，所获得的纤维电极可提供两倍以上的改进电容。具有优异的倍率性能和循环稳定性，从而使作为制造的固态超级电容器增强了很多能量密度。证明此方法的可扩展性，与最新的商业处理技术兼容，因此对电子纺织的未来发展具有广阔的前景。

图文导读

图1。（a）香蒲的方案，其具有香肠状花穗，具有独特的实心绒毛鞘结构。

（b）原始碳纤维，（c–d）S-CFs分别经过电化学处理5分钟和10分钟的SEM图像。

（e）电化学溶胀机理的示意图。

图2。原始CF，S-CF和TS-CF的（a）C1和（b）N1的XPS光谱。

图3。（a）中的CV曲线和（b）c^VTS-CF的电化学5，7，10，13和16分钟分别处理。（b）中的插图显示了相应的GCD曲线。（c）以3、5、7、10和20mVs-1的扫描速率分别电化学处理10分钟的TS-CF的CV曲线。（d）对于TS-CFs进行10分钟电化学处理的扩散控制插入过程和类似电容器的电荷存储过程，其电流贡献的一部分。（e）电化学处理10分钟的TS-CF的速率能力和（f）循环稳定性。

图4。（a）当组装的基于TS-CF的对称超级电容器在0-1.0V的电压窗口内以50mVs-1进行充放电时，阳极和阴极的电势变化。

（b）超级电容器的CV曲线基于以50mVs-1在阳极和阴极之间以不同的体积比组装的TS-CF。

（c）GCD曲线（d）在不同电流密度下基于TS-CF的优化超级电容器的倍率能力。

（e）优化超级电容器和其他最近报道的超级电容器的Ragone图。

（f）优化的超级电容器的灵活性和循环稳定性。

图5。（a）连续膨胀CF丝束的自制装置的示意图和（b）的照片图像。

（c）在1.0Acm-3的电流密度下，TS-CF电极的CV与负载偏压和处理时间的关系。

（d）TS-CF电极在2.6V电压下膨胀5分钟的优化FSC的速率能力。

（e）分别并联和串联的三个设备的GCD曲线。

碳纤维石墨护套的结构依赖性膨胀后，对商用CF在可穿戴式储能装置中的实际应用前景广阔：

（1）与新开发的碳相比，CF的市售价格低廉碳纳米管纤维和石墨烯纤维；

（2）石墨鞘层以可控制的方式溶胀，形成蓬松的层而不会干扰内芯；

（3）保留的优异机械强度将确保TS-CF适合工业化后编织/编织织机，

（4）整个电化学溶胀过程是可扩展的，这有利于FSC的连续制造；

（5）与以前的化学氧化策略相比，我们的方法简便，快速，绿色且成本低，

（6）高电导率，膨胀的石墨鞘层以及膨胀的石墨鞘层中的含氧官能团和N掺杂共同为TS-CFs提供了快速的电子/离子传输，因此具有较高的假电容。

小结

本文开发了一种绿色且可扩展的方法，可以将商用碳纤维丝束直接转换为具有香蒲型紧凑型芯蓬松皮结构的高性能纤维电极。突出了与结构有关的溶胀机制。特别在温和的电化学处理下，良好排列的石墨鞘膨胀，而由随机取向的碳纳米晶体组成的内核保持稳定，从而提供可靠的机械强度和导电性。由于引入了含氧官能团并丰富了N-5和N-6键合构型，因此获得的TS-CF电极在1.0Acm-3时可提供87.2Fcm-3的高体积电容具有优异的倍率性能。另外，该方法可以扩大规模，因此在可穿戴式储能装置中商用CF的实际应用具有广阔的前景，促进了未来电子纺织品的快速发展。

参考文献：

Scalablepreparationofhighperformancefibrouselectrodeswithbio-inspired

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