用于高級電化學儲能的碳基纖維設備了解一下！

先進的電化學儲能裝置(EESDs)可以有效地儲存電能，同時又具有微型/柔性/可穿戴/承重的特點，因此，從柔性/可穿戴/便攜式電子產品到輕型電動汽車/航空航天設備，各種應用都需要它。然而，傳統的EESDs體積龐大且剛性好，能量/功率密度低，不適合承載。因此，開發先進的EESDs成為滿足這些新需求的迫切需要，并在很大程度上依賴于先進的能源材料和器件結構的新設計。碳基纖維(CFs)因其輕質、高導電性、優異的機械強度、柔韌性和可調的電化學性能，在這些先進的EESDs(如超級電容器和電池)的發展中具有巨大的潛力。在此我們介紹一下碳基纖維的制備技術，以及提高其機械、電氣和電化學性能的各種方法，以及來自這些碳基纖維的EESDs高級的設計、裝配和潛在的應用。分享碳基纖維在高級電沉積中的應用前景和面臨的挑戰。

1?EESDs和CFs介紹

電化學儲能裝置(EESDs)包括超級電容器和可充電電池，由正負電極、分離器和液態或凝膠態的電解質組成。工作電極通常由一層含有活性材料、聚合物粘合劑和導電劑的金屬箔或泡沫作為電流收集器。有時，高導電性活性層可以作為獨立電極；碳納米管和石墨烯等活性材料也可以組裝成獨立的導電薄膜、泡沫或纖維電極，因此粘合劑和導電劑被淘汰。通過電化學過程以可逆、高效、方便的方式儲存和釋放電能，廣泛應用于便攜式電子、電動汽車和航空/航天設備等領域。

基于CF的超級電容器的典型配置

圖片來源：DOI:?10.1021/acs.chemrev.9b00466

碳基纖維(CFs)被認為是以碳為主要成分的長(一般為>1 mm)纖維。碳纖維的直徑通常在幾十納米到幾十微米之間，這使得它們可以被劃分為碳納米纖維(CNFs,直徑< 1μm)和碳超細纖維(CMFs,直徑> 1μm)。CFs較長，機械強度強，柔韌性好，并具有良好的導電性和電化學性能。這些特性意味著CFs及其織物可以作為理想的無粘結劑、自立、堅固和靈活的電極，它們可以組裝成線狀和紡織的EESDs，可以作為小型/柔性/可穿戴電子設備和智能服裝的特殊電源。這些先進的EESDs有利于開發便攜式電子、電動汽車、航空和航天設備，具有顯著的減重和延長續航能力。因此，CFs是一種很有前途的先進EESDs材料。

高級電化學儲能的碳基纖維及潛在應用

圖片來源：DOI:?10.1021/acs.chemrev.9b00466

2?CFs的制備及性能改善

CFs可以通過兩種主要的方法產生：原絲碳化和由碳納米材料紡絲

原絲碳化，前驅纖維從自然資源中獲得，由聚合物或瀝青紡成，或由小分子合成，然后經受高溫(>500℃，通常為～1000℃)碳化。碳納米材料紡絲，碳納米管和石墨烯(氧化物)等納米碳化物是通過化學氣相沉積法(CVD)或化學剝離合成，然后由氣溶膠、濕分散體或固體陣列/膜紡成纖維。

氣/液/固相組裝的典型方法

圖片來源：DOI:?10.1021/acs.chemrev.9b00466

CFs電化學性能的改善

CFs的電化學性能在很大程度上是由其結構決定的，其機電性能也是如此。

電化學性能改善方法

圖片來源：DOI:?10.1021/acs.chemrev.9b00466

3?CFs基超級電容器

CFs的電化學性能在很大程度上是由其結構決定的，其機電性能也是如此。提高CF電極的比電容是高性能超級電容器的關鍵問題。

提高CF基超級電容器能量和功率密度的方法

• 使用非對稱配置

采用非對稱結構可以有效地提高超級電容器的工作電壓和能量、功率密度，即在正負電極上使用不同的PWs活性材料，或在兩個電極上使用相同的活性材料，但質量比不同。常用的正極活性材料有金屬氧化物/氫氧化物/硫化物層狀雙氫氧化物、導電聚合物、碳納米材料。該負極活性材料可以是碳納米材料金屬氧化物、氮化物、磷化物等數百種正極和負極材料的組合可用于配置非對稱超級電容器。

比如：

可拉伸線形非對稱超級電容器的設計

東華大學俞建勇教授、李發學副教授與美國特拉華大學鄒祖煒教授合作，在ACS Nano上發表題為“Stretchable Wire-Shaped Asymmetric Supercapacitors Based on Pristine and MnO₂?Coated Carbon Nanotube Fibers”的論文，將非對稱的結構應用在線形超級電容器中，使超級電容器電壓范圍從0.8 V擴展到1.5V，且裝置的能量密度和功率密度分別是對應非對稱超級電容器三倍和兩倍。非對稱線形超級電容器由作為正極的MnO₂/CNT復合纖維，作為負極的氣凝膠CNT纖維以及作為電解質的KOH-PVA凝膠組成。利用Dow XLA彈性纖維作為基體以及“先預拉伸-后屈曲”的方法，賦予了其100%可拉伸性。這個非對稱的可拉伸超級電容器具有較高的比電容157.53 μF cm-1?(掃描速率為?50 mV s^-1時），較高的能量密度（17.26–46.59 nWh cm^-1）和功率密度（7.63–61.55 μW cm^-1）。引人注意的是，高達100%的循環拉伸應變僅它的電化學性能造成了微小影響。另外，經過10000次的恒電流充放電循環，比電容仍然保持了99%以上，表明良好的長期循環穩定性。非對稱的結構被證明是一種優異的超級電容器的結構，用以達到較高的工作電壓和高能量密度，而不犧牲功率及循環穩定性。

文獻鏈接：DOI: 10.1021/acsnano.5b01244?

柔性全固態非對稱超級電容器的設計

近年來，纖維型柔性超級電容器因其在可穿戴電子領域的潛在應用而受到廣泛關注。然而，有限的能量密度仍然是制約其實際應用的嚴重瓶頸。東華大學朱美芳教授團隊在Carbon上發表題為“Flexible all-solid-state asymmetric supercapacitor based on transition metal oxide nanorods/reduced graphene oxide hybrid fibers with high energy density”的論文，通過一種簡便、可擴展的濕紡方法制備過渡金屬氧化物納米棒/還原氧化石墨烯(rGO)混合纖維。由于過渡金屬氧化物納米棒與還原氧化石墨烯的協同作用，使雜化纖維的電化學性能得到了很大的改善。以MnO₂納米棒/rGO雜化纖維為正極，MoO₃納米棒/rGO雜化纖維為負極，H₃PO₄/聚乙烯醇(PVA)為電解液，構建了全固態非對稱超級電容器。根據MnO₂和MoO₃之間不同的工作電位窗口，優化后的非對稱超級電容器可以在1.6 V的高壓下進行可逆循環，并在76.4 mW cm^-3的功率密度下提供18.2 mWh cm^-3的優越體積能量密度。此外，非對稱超級電容器還具有顯著的循環穩定性和良好的柔性和機械穩定性。

文獻鏈接：DOI: 10.1016/j.carbon.2016.11.051?

• 使用高壓電解質

電解液是超級電容器的另一個重要組成部分，它主要決定超級電容器的工作電壓。超級電容器最廣泛使用的電解質是水溶液，由于它們的高離子電導率、低離子半徑、環境友好性和不可燃性，使用高壓電解液是提高CF型超級電容器能量和功率密度的有效途徑。

比如：

三維高能量密度離子液體超級電容器電極

德雷塞爾大學的Vibha Kalra教授等人在Chem.?Commun.上發表題為“Binder-free three-dimensional high energy density electrodes for ionic-liquid supercapacitors”的論文，演示了一種簡便的方法來制作無粘結劑多孔碳納米纖維電極用于室溫離子液體超級電容器。研究了無粘結劑電紡碳納米纖維在室溫離子液體超級電容器中的電化學行為。樣品的比電容高達180 F g^-1，能量密度為80W h kg^-1。同時在掃描速率為200mV s^-1時，樣品表現出近乎理想的CV曲線。表明了快速動力學和高功率處理能力。結果表明，在5000個充放電循環中，樣品是穩定的。

文獻鏈接：DOI: 10.1039/c5cc04359j

基于離子凝膠和多孔碳納米纖維電極的高度耐用固態超級電容器

德雷塞爾大學的Vibha Kalra教授在ACS Appl. Mater. Interfaces上發表題為“Highly Durable, Self-Standing Solid-State Supercapacitor Based on an Ionic Liquid-Rich Ionogel and Porous Carbon Nanofiber Electrodes”的論文，將含有95%的IL(1-乙基-3-甲基咪唑雙亞胺)和5%的甲基纖維素(一種聚合物基質)的離子液體(IL)的離子凝膠與高度互聯的3D活性炭納米纖維(CNF)電極相結合，制備出高性能的固態超級電容器。該離子凝膠具有很強的機械性能，其儲存模量為5 MPa，在25℃下的高離子電導率為5.7 mS cm^?1。通過靜電紡絲技術獲得的高表面積CDF基電極(2282 m²?g^?1)，CNF電極的多孔結構有利于柔軟但機械耐用的離子凝膠膜的輕松滲透，從而使多孔納米纖維和凝膠電解質界面之間的親密接觸成為可能。超級電容器顯示出良好的電容特性，包括153 F g^?1的重量電容，65 W h kg^?1的高比能密度，高循環穩定性，在1A g^?1的2萬次充放電循環后，電容衰減僅為4%。

文獻鏈接：DOI: 10.1021/acsami.7b07479?

• 使用氧化還原活性電解質

考慮到電解質占相當大的質量/體積分數，以CF為基礎的超級電容器，通過加入一些氧化還原活性添加劑來增加能量密度是有效的。氧化還原添加劑應在電解質中具有良好的溶解度，或能吸附在電極上，并能在循環充放電過程中發生可逆的還原/氧化反應。

比如：

雙氧化還原離子液體用于高比能超級電容器

蒙彼利埃第一大學 Olivier Fontaine教授等人在Nature Materials上發表題為“Biredox ionic liquids with solid-like redox density in the liquid state for high-energy supercapacitors”的論文，介紹了基于雙氧化還原（biredox）離子液體，在類液體快速動力學情況下實現類固體材料氧化還原密度的方法。這些雙氧化還原離子液體的陽離子和陰離子帶有能進行快速可逆氧化還原反應的分子。證明其用于高容量/高速率電荷存儲的潛力，并在氧化還原超級電容器上進行了演示。這些離子液體能夠通過在電極的孔中存儲大量電荷來將電荷存儲與離子通過的電極表面去耦合，以使由于將氧化還原物質保留在孔中而導致的自放電和泄漏電流最小化，并由它們較寬的電化學窗口來提高工作電壓。

文獻鏈接：DOI: 10.1038/nmat4808?

引入雙極性有機氧化還原自由基激發雙電層電容器

碳基電化學雙層電容器(EDLCs)通常具有高功率和長壽命，但能量密度/電容較低。碳材料的孔/形態優化和假電容材料修飾已被用來提高電極電容。在電解液中加入可溶性氧化還原介質是提高電極電容的一個有前途的選擇。華中科技大學的李會巧教授和復旦大學的王永剛教授團隊在Angew.上發表題為“Energize Electrochemical Double Layer Capacitor by Introducing an Ambipolar Organic Redox Radical in Electrolyte”的論文，將一個雙極性有機自由基TEMPO（2, 2, 6,6-tetramethylpiperidinyloxyl）引入電解液中，通過正極的氧化和負極的還原，可以顯著地增加贗電容。帶有TEMPO介質的EDLC的能量密度高達51 Wh kg-1，是不含TEMPO介質的電容器的2.4倍，該電容器也表現出了優異的循環穩定性，長周期穩定性超過4000個周期。所獲得的結果可能為提高EDLCs的能量密度提供新的途徑。

文獻鏈接：DOI:?10.1002/anie.201804582?

• 使用金屬電流收集器

通過使用高導電性的金屬電流收集器可以快速地將電子傳導到活性材料或從活性材料傳導到活性材料，顯然可以提高速率性能。在平面超級電容器的情況下，通常使用不銹鋼/鋁/鉑箔/薄膜。

比如：

紡織品用超高速充放電的超級電容器

柔性、可穿戴、可植入式和易于重構的超級電容器為電子設備提供了高能量和功率密度。韓國漢陽大學的Seon Jeong Kim教授等人在Nature?Commun.上發表題為“Ultrafast charge and discharge biscrolled yarn supercapacitors for textiles and microdevices”的論文，演示了可編織、可縫紉、可打結和可編織的紗線，它們是氧化還原超級電容器的高性能電極。Biscrolling可以將數百層導電聚合物滲透的碳納米管片卷成直徑為20um的紗線。用金屬線集流器連接雙biscrolled紗線可以提高發電能力。容量高(可達179 F cm ^-3)，對于液體和固體電解質，合股線超級電容器的放電電流隨電壓掃描率的增大而線性增大.完整的超級電容器具有極高的能量密度和功率密度，高的循環壽命(分別為92%和99%，經過10,000次循環)對電子紡織品的應用具有重要意義。

文獻鏈接：DOI: 10.1016/j.jpowsour.2015.12.114?

基于碳納米管/不銹鋼芯紗的雙股線超級電容器

線性超級電容器在電子紡織領域有著巨大的發展潛力。然而，目前報道的大多數紗線超級電容器的能量密度仍然很低，并且隨著超級電容器長度的增加而顯著降低。華南理工大學的Fenghua Su教授聯合澳大利亞CSIRO的Menghe Miao教授在Journal of Power Sources發表題為“Two-ply yarn supercapacitor based on carbon nanotube/stainless steel core-sheath yarn electrodes and ionic liquid electrolyte”的論文，報告了一種基于碳納米管/不銹鋼包芯紗電極和離子液體電解質的雙層超級電容器。IL凝膠電解質的使用使超級電容器的電位窗口從1.0 V擴大到2.7 V。碳納米管/不銹鋼包芯紗結構大大提高了電荷傳輸效率，并允許線性超級電容器的長度大幅增加。所得到的超級電容器具有卓越的電化學性能，其高容量電容為263.31 F cm^-3，能量密度為6.67ⅹ10^-2?Wh cm^-3。

文獻鏈接：DOI: 10.1016/j.jpowsour.2015.12.114?

4?CFs基可充電電池和混合電池

與超級電容器相比，可充電電池和混合電池可以提供更高的能量密度。在這些金屬離子電池和混合電池中，多功能的CFs可以作為本質上的活性正負極材料，導電添加劑和功能電流收集器和中間層添加到其中，

其具有以下優點：其大孔結構具有良好的電解質滲透和離子擴散動力學；

它們的連續導電網絡提供了快速電荷(電子或空穴)向活性材料和金屬離子的傳輸；

不需要聚合物粘結劑或導電劑，可作為獨立的、柔性的、輕質的、甚至結構電極使用。

• 純CFs作為陽極

可作為鋰離子電池和電容器的陽極，作為鈉/鉀離子電池和電容的陽極等。

比如：

來自木質素的高強度鋰離子電池陽極

美國橡樹嶺國家實驗室的Wyatt E. Tenhaeff教授等人在AFM上發表為題“Highly Robust Lithium Ion Battery Anodes from Lignin: An Abundant, Renewable, and Low-Cost Material”的論文，報道了一種完全由天然和可再生資源制成的低成本電池電極的合成、加工和性能。這種陽極材料具有可調的電化學性能，適用于高功率和高能量的應用。提出了一種能直接產生電互連三維結構的合成方法，其中碳框架作為集電體和鋰插入材料，消除了傳統設計中惰性材料的額外質量和費用。纖維狀碳電極材料是利用可擴展的熔體加工技術和熱轉換方法從萃取木質素的溶劑中得到的。所得到的獨立電極的電化學性能與商用碳基陽極相當，而材料和加工成本僅為后者的幾分之一。組分和電化學表征表明，碳化木質素具有無序的納米晶結構。在傳統的非質子型有機電解質中，碳化氈循環可逆，庫侖效率超過99.9%。此外，在2000℃碳化的木質素碳纖維在1M LiPF₆的碳酸丙烯酯中可以可逆循環。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/adfm.201301420?

富氮CF基鈉電容器陽極的電荷存儲機制

馬克斯·普朗克膠體和界面研究所的Martin Oschatz教授等人在 AFM上發表題為“Understanding the Charge Storage Mechanism to Achieve High Capacity and Fast Ion Storage in Sodium-Ion Capacitor Anodes by Using Electrospun Nitrogen-Doped Carbon Fibers”的論文，以六氮雜苯二腈(HAT-CN)和聚乙烯吡咯烷酮為原料，通過電紡絲的方法制備微孔富氮炭纖維(HAT-CNFs)。結鍵動機、電子結構、氮雜原子含量、孔隙率、碳堆積程度等都可以通過冷凝溫度來控制。HAT-CNFs具有顯著的可逆容量(0.1 A g^?1時為395 mAh g^?1)和速率能力(10 A g^?1時為106 mAh g^?1)，可作為鈉儲存的正極材料，HAT-CNFs還作為一系列模型化合物，用于研究插層和以不同速率可逆結合在氮位點上對鈉儲存的貢獻。以HAT-CNF為陽極，以鹽模壓多孔碳為陰極的混合式鈉離子電容全電池，在0.5-4.0 V的電壓范圍內具有顯著的性能。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/adfm.201902858?

• 客載的CFs作為陽極

多種非碳負極材料可以同時提供高容量和良好的充放電平臺。因此,雜化CFs與這些電子材料一起，同時引入充電平臺，因此有效地增加了鋰/鈉/鉀離子電池和電容器的能量密度。

比如：

T-Nb₂O₅/碳納米纖維膜實現柔性高功率鈉離子電容器

混合鈉離子電容器因其兼具電池和超級電容器的優點以及鈉資源的低成本而備受關注。然而，陽極中Na⁺的緩慢擴散阻礙了其的進一步發展。為了實現快速氧化還原動力學，華中科技大學胡先羅教授課題組在Small上發表題為“Mesopore-Induced Ultrafast Na+-Storage in T-Nb₂O₅/Carbon Nanofber Films toward Flexible High-Power Na-Ion Capacitors”的論文，通過原位SiO₂?刻蝕技術組裝了介孔正交Nb₂O₅-碳納米纖維網絡。所得的介孔材料為T-Nb₂O₅(m-Nb₂O₅)/CNF膜是機械柔性的，不使用任何添加劑、粘合劑或電流收集器。原位形成的介孔可以有效地提高m-Nb₂O₅/CNF電極的Na⁺存儲性能，比如良好的倍率能力(最高可達150℃)和出色的循環能力(100℃下10000次循環后的保留率為94%)。基于m-Nb₂O₅/CNF陽極和石墨烯框架(GF)/介孔碳納米管(mCNF)陰極的柔性器件，在55Wh/kg的能量密度下具有60KW/kg的超高能量密度。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/smll.201804539

硅/石墨烯/碳納米線三維柔性電極

開發高性能、長循環壽命的電極材料是鋰離子電池的核心問題。湖南大學的魯兵安教授課題組在ACS Nano上發表題為“Atomic-Scale Control of Silicon Expansion
Space as Ultrastable Battery Anodes”的論文，利用原子層沉積和靜電紡絲相結合制備了硅/石墨烯/碳納米線三維柔性電極。利用原子層沉積巧妙地實現了納米硅在充放電過程中的膨脹空間原子級別的控制。硅納米顆粒被精確和可控的空隙空間所包圍，從而保證了優異的機械強度，并提供了足夠的空間來克服硅納米顆粒在充放電過程中體積膨脹所造成的損傷。同時由于石墨烯和碳纖維的高導電性使得電極材料具有良好的倍率性能，在700?mA/g的電流密度循環1050次后（8個月左右時間持續循環），該電極材料任展現出2002?mAh/g的可逆容量（平均每個循環衰減0.006％）。

文獻鏈接：DOI:10.1021/acsnano.6b04522

• 客載CFs為陰極

由于CFs在普通電解質的電位窗內容量較低，因此很少被研究作為本質上是可充電電池的活性陰極材料。因此，有必要將導電CFs與高容量陰極材料相結合，作為柔性/可穿戴/結構電池的陰極。

比如：

一種線狀的鋰硫電池

復旦大學的彭慧勝教授在AM上發表題為“A Cable-Shaped Lithium Sulfur Battery”的論文，報告了一維線狀的鋰硫電池使用碳納米復合纖維作為硫陰極。這歸功于于碳納米管(CNT)、介孔碳(MC)顆粒和氧化石墨烯(GO)層的綜合優點，陰極具有良好的物理性能和較高的電化學性能。以該復合纖維為硫陰極，制備線狀鋰硫電池。它展示了改進的壽命和顯著的變形順應性，使它超越其他光纖形電池和領先于其他柔性能源設備。這項工作為可穿戴設備的高漏磁率和高能量密度之間的鴻溝提供了一個通用的解決方案。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/adma.201504241

具有優異的電化學性能的柔性多孔碳納米纖維-硒陰極

中國科學技術大學朱彥武教授等人在AEM上發表題為“A Flexible Porous Carbon Nanofibers-Selenium Cathode with Superior Electrochemical Performance for Both Li-Se and Na-Se Batteries”的論文將硒滲透到介孔碳納米纖維(PCNFs)中，制備了一種柔性、自立的多孔碳納米纖維/硒復合電極(Se@PCNFs)。具有優化介孔容納硒的多孔碳可以協同抑制活性物質的溶解，提供膜所需的機械穩定性。Se@PCNFs電極在鋰離子和鈉離子存儲方面都表現出優異的電化學性能。對于鋰離子存儲器，經過900次循環后，它的可逆容量為516mA g^?1，而在0.5 A g^?1下沒有任何容量損失。當用于鈉-硒電池時，該復合電極在以0.05 Ag^?1的速率進行80次循環后，其可逆容量為520 mAh g^?1，1?A g^?1速率為230 mAh g^?1。由于硒在PCNFs中的均勻分布與三維互聯的PCNFs骨架的協同作用，使得硒在PCNFs中具有高的容量、良好的循環性和速率能力，可以緩解多硒化合物中間體在循環過程中的穿梭反應，并在整個電極中保持良好的導電性。通過合理、精巧的設計，這種自支撐電極有望成為高功率、高能量密度鋰-硒電池和鈉-硒電池的發展方向。

文獻鏈接：DOI:?10.1002/aenm.201401377?

• CFs作為導電添加劑等

由于CFs的高縱橫比和良好的導電性，它在提高可充電電池活性電極的導電性和電化學性能方面優于其他導電添加劑/中間層。

比如：

構建碳纖維三維網絡實現Na₃V₂(PO₄)₃@碳負載的超長循環壽命和超高速鈉離子電池

大多數柔性電極中活性材料的質量載荷較低，這大大阻礙了它們的實際應用。北京理工大學的Minhua Cao聯合韓國漢陽大學Yang-Kook Sun教授等人在Nano Energy上發表題為“Achieving high mass loading of Na₃V₂(PO₄)₃@carbon on carbon cloth by constructing three-dimensional network between carbon fibers for ultralong cycle-life and ultrahigh rate sodium-ion batteries”的論文，報告了一種簡單的策略來實現高質量負載的Na₃V₂(PO4)₃@碳(NVP@C-CC)在碳布(NVP@C- CC)上，通過兩步涂層和退火處理，得到的NVP@C- cc膜可以用作鈉離子電池(SIBs)的無粘結陰極。NVP@C不僅均勻地固定在CC的碳纖維表面，而且碳纖維之間以互聯的三維(3D)大孔結構填充。正是因為充分利用了碳纖維之間的空隙，我們實現了高的NVP@C質量負載。充分評估的電池陰極(陽極為NaTi₂(PO₄)₃@C)，它也表現出優越的循環穩定性和速率性能時。本研究為實現柔性儲能裝置中柔性支架上活性材料的高質量負載提供了一種新的策略。通過在碳纖維間建立三維網絡，實現了高質量負載的NVP@C-CC電極。NVP@C-CC電極對鈉半電池和全電池陰極均表現出良好的循環性能和優越的速率容量(陽極為NaTi₂(PO₄)₃@C)。

文獻鏈接：DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.12.038?

用于高穩定鈉金屬陽極的3D柔性碳氈主體

具有高理論容量和最低電化學電位的鈉（Na）金屬被認為是用于鈉金屬電池的有前景的負極材料。然而，Na的枝晶生長和循環中的大體積變化嚴重阻礙了其實際應用。北京科技大學范麗珍教授等人在AEM上發表題為“3D Flexible Carbon Felt Host for Highly Stable Sodium Metal Anodes”的論文，表明已經大規模商業化的3D柔性碳（C）氈可以用于通過熔融注入策略預存Na的主體，通過該注入策略獲得Na/C復合負極。由于金屬Na被限制在導電碳氈主體中，所以得到的負極在對稱電池中的碳酸鹽基電解質中表現出穩定的電壓分布和120次循環的小滯后，這增加了Na⁺沉積位點以降低有效電流密度并使Na形核均勻，從而限制電化學循環中的尺寸變化。更重要的是，可以有效抑制鈉枝晶生長和大體積變化。當與Na_0.67Ni_0.33Mn_0.67O₂正極結合時，Na/C復合材料在全電池中表現出良好的適用性。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/aenm.201702764?

5?基于CFs的高級EESDs的應用

高容量柔性鋰離子電池用于智能導電紡織品

智能導電紡織品具有固有的柔性、纖維網狀、表面粗糙、附著力強、導電性好等優點，被用作柔性LIBs的電流收集器。納米尺寸的氧化鈦鋰(LTO)和磷酸鐵鋰(LFP)活性材料進一步增強了導電性和柔韌性，韓國漢陽大學的Yun Jung Lee教授等人在Small上發表題為“Flexible Lithium-Ion Batteries with High Areal Capacity Enabled by Smart Conductive Textiles”的論文，設計將它們與柔性的二維石墨烯混合，由此產生的LTO/LFP全電池具有較高的面積容量和靈活性，并能承受機械疲勞。該電池的容量達到1.2 mA h cm^?2，同時表現出良好的靈活性，電池在10 mm的彎曲半徑下反復彎曲1000次后表現出穩定的開路電壓保持能力，未彎曲電池的放電容量在分別以30、20和10 mm的彎曲半徑彎曲100次后的電池中得以保留，這證實了這種電極配置可成功防止重復變形時結構損壞（分層或破裂）。

文獻鏈接：DOI:10.1002/smll.201703418

導電碳素織物照片及電極制備示意圖

基于改性碳纖維的多功能結構超級電容器復合材料

倫敦帝國理工學院的Milo S. P. Shaffer 教授等人在ACS Appl. Mater. Interfaces上發表題為“Multifunctional Structural Supercapacitor Composites Based on Carbon Aerogel Modified High Performance Carbon Fiber Fabric”的論文，設計了一種新型多功能材料，將結構碳纖維織物嵌入碳氣凝膠（CAG）的連續網絡中，形成了一個粘結但多孔的整體，可提供出色的機械性能，同時擁有適合電化學能量存儲的高電化學表面積。結果表明，CAG改性工藝具有可擴展性，并且與一系列具有不同表面特性的碳纖維織物兼容。CAG的加入顯著增加了碳纖維織物的表面積，因此使電化學性能提高了約100倍。使用離子液體（IL）電解質，在將CAG引入碳纖維織物后，估計的能量密度從0.003增至1 Wh kg^-1。將兩種浸有CAG的碳纖維織物夾在絕緣隔板周圍，以形成功能正常的結構電化學雙層電容器復合材料。 CAG改性不僅改善了電化學表面積，而且增強了一次纖維周圍的聚合物基體，從而顯著改善了基體主導的復合材料的性能。觀察到面內剪切強度和模量提高了4.5倍，這表明CAG改性的結構碳纖維織物在結構和多功能儲能應用中都有希望。

文獻鏈接：DOI: 10.1021/am400947j?

基于CAG改性的多功能結構超級電容器裝置概念示意圖

電致變色的纖維型超級電容器

智能電子產品代表了現代電子學中一個嶄新的，有希望的方向。智能電子設備（例如智能手機，智能手環和眼鏡）的普及，重新引起了人們對其儲能配件的興趣。 復旦大學的彭慧勝團隊在AM上發表題為“Electrochromic Fiber-Shaped Supercapacitors”的論文，通過在彈性纖維上纏繞取向的碳納米管/聚苯胺復合薄膜電極，開發了一種新型的電致變色、柔性、可拉伸的纖維型超級電容器。這些纖維形狀的超級電容器在不同的工作階段之間表現出快速且可逆的彩色轉換，因此提供了有關其工作狀態的動態且有效的信息。雖然在PANI的基礎上主要展示了三種典型的顏色，即淡黃色、藍色和綠色，但是其他顏色也可以根據同樣的策略選擇其他聚合物或金屬氧化物等無機材料來實現。這些電致變色的纖維型超級電容器在彎曲、拉伸等變形條件下也表現出良好的電化學性能，除用于儲能外，還可廣泛應用于顯示領域。這項工作可以作為通過探索高效的鉻合金或其他智能電子設備來開發顯示產品的起點。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/adma.201403243

充放電過程中的色轉變

挑戰與展望

先前的研究已經證明，CFs是構建廣泛應用的高級EESDs的優秀候選。然而，在實現大規模應用程序之前，它們仍然面臨許多挑戰：基本構件的結構和性能需要合成具有精確結構的前驅體和納米碳化物；控制纖維的形成過程對適用于不同應用的高級EESD，高效低成本大規模生產CFs至關重要；有效地設計和組裝具有高重量/體積能量和功率密度且使用壽命長的可靠EESDs。然而，CF家族的新成員可能在不久的將來被開發，例如，石墨烯纖維、玻碳纖維和碳炔纖維，為先進的EESDs提供了新的微觀結構、新的性能和新的機會。隨著CFs生產技術的突破和EESD系統的發展，我們相信CFs將在幫助我們的日常生活和實現一個清潔能源的世界中扮演重要的角色。

本文由Junas供稿。

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