2016年11月11日 星期五 09:15:33

一种可缝制、可编织和可水洗的智能储能纤维

发表时间:2020/10/10

随着可穿戴电子产品的快速发展,人们急需柔性好、可伸缩、高性能、兼具舒适性和耐用性的储能设备。重量轻、体积小、结构多样的纤维状储能设备成为人们研究的热点,并被认为是解决可穿戴电子产品续航差的有效方法。



目前,锂离子电池、锂硫电池、原电池和超级电容器等一维线性电源的开发工作已经取得了很大进展。其中,纤维状水性锌电池(AZBs)具有比容量高(825 mA/g)、原料丰富、成本低、安全性高和柔性好等优点,能够作为可穿戴电子产品的储能设备。然而,纤维状水性锌电池缺乏高容量和稳定的正极材料,而且目前生产的纤维状电池很少能提供纺织加工所需的机械性能,很难进行大规模生产。



近日,中国工程物理研究院化学材料研究所的研究人员受到聚多巴胺(PDA)强黏合力和氧化还原活性的启发,以PDA为活性材料和纳米黏结剂,开发出可缝制、可编织和可水洗的储能纤维。该储能纤维还表现出高柔韧性和高抗强度,可以直接用来制备可穿戴的储能纺织品,这为可穿戴电子器件的开发提供了新途径。相关成果以“Bioinspired Interface Design of Sewable, Weavable, and Washable Fiber Zinc Batteries for Wearable Power Textiles”为题发表在Advanced Functioned Materials上。


基于柔性AZBs的储能纺织品的制备示意图及PCNF性能表征


研究人员选择碳纳米管纤维(CNF)作为碳基质,将CNFs放入多巴胺溶液中,使得多巴胺在CNF表面形成聚多巴胺(PDA),将PDA包覆的CNFs作为阴极(PCNF)。将制备好的PCNF和锌丝通过织机织成织物,制成储能纺织品。涂刷聚乙烯醇(PVA)凝胶电解质后,该储能纺织品可以为各种电子设备供电。


不同热处理温度下,PCNF电极的耐电解质和电化学性能比较


为了去除残留的多巴胺,并且提高PCNF中具有氧化活性的醌基的比例,研究人员对聚合得到的PCNF样品分别在不同温度下进行热处理。研究结果表明,热处理温度为300℃时,PCNF电极的耐电解质和电化学性能优良。


热处理温度为300℃时,PCNF电极的电化学性能及FT-IR和XPS表征


研究人员通过缝纫机将储能纤维缝制成特定图案的储能纺织品,不管在弯曲还是洗涤条件下,该储能纺织品均能为各种电子产品稳定供电。


基于柔性AZBs缝制和机织的储能纺织品的示意图及应用性能


(来源:纺织导报官微)

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