近期，新能源儲存技術在科學研究、工業化生產等領域受到了廣泛的關注，特別是在未來高端智能化的可穿戴設備行業（年產值280億美元）。為了滿足智能可穿戴市場供能的需求，開發具有輕質、高柔性、可折疊、高能量密度的儲能設備是該領域的重大挑戰及攻堅課題。針對上述挑戰，南京工業大學材料化學工程國家重點實驗室、化工學院陳蘇教授和武觀老師，在國家自然科學基金的資助下，通過微流控紡絲技術，利用捷納思微流體紡絲機，制備黑磷復合纖維無紡布電極，并將其構筑具有高能量密度輸出的柔性超級電容器。通過在二維黑磷（BP）片層橋接一維碳納米管（CNTs），增加黑磷片層間的電子傳導、機械穩定性、離子擴散通道和氧化還原作用，從而促進離子在電極-電解質層界面處更快的傳輸及更多的累積。得益于這種異質結構和微流體紡絲的設計，獲得基于無紡布電極的超級電容器表現出較高的能量密度和穩定形變供能能力，并成功實現為LEDs、智能手表、彩色顯示屏等電子器件供能的應用。該方法不僅為先進電極材料的設計提供新思路，還極大促進柔性超級電容器在可穿戴電子領域的發展，有望取代微電池并廣泛應用于新能源能量存儲領域。該研究成果于近日發表在被國際重要刊物《Nature Communications》上。“Microfluidic-spinning construction of black-phosphorus-hybrid microfibres for non-woven fabrics toward a high energy density flexible supercapacitor, 2018, 9: 4573.”

圖1. (a) BP-CNTs的合成以及鈍化示意圖；(b) 基于微流體紡絲技術制備黑磷復合纖維無紡布示意圖；(c) 柔性超級電容器的構筑及應用示意圖。

圖2. (a)和(b) 在高低倍鏡下的BP-CNTs的TEM圖；(c) 高分辨率BP-CNTs的TEM圖；(d), (e)和(f) 高倍鏡下的BP-CNTs的EDS元素分布圖；(g), (h)和(i)在高、中和低倍鏡下BP-CNTs的SEM圖；(j) BP的XPS元素分析圖；(k) BP-CNTs的XPS元素分析圖；(l) CNTs/BP和CNTs/BP-CNTs的孔徑分布圖。

圖3. (a) 微流體紡絲技術制備黑磷復合纖維無紡布電極示意圖以及彎曲性能圖；(b), (c)和(d) CNTs, CNTs/BP和CNTs/BP-CNTs三種電極結構示意圖；(e) 掃描速率為10mV s^-1下柔性超級電容器的循環伏安曲線圖；(f) 電流密度為0.1A cm^-3下柔性超級電容器的充放電性能圖；(g) 柔性超級電容器的電容性能對比圖。(h)柔性超級電容器的阻抗分析對比圖；(i) 柔性超級電容器的循環壽命性能對比圖；(j) 無紡布電極超級電容器與其他電極超級電容器的能量密度與功率密度對比圖。

圖4. (a) 電流密度為0.1A cm^-3下柔性超級電容器的彎曲狀態循環穩定性圖；(b)掃描速率為10mV s^-1下柔性超級電容器的形變穩定性圖；(c) 不同彎曲角度下，柔性超級電容器為LEDs的形變供能圖；(d) 柔性超級電容器為智能手表供能圖；(e) 兩個電容包串聯為彩色顯示屏供能圖。

圖5. (a) 柔性超級電容器的結構原理圖。(b) 柔性超級電容器與其他電容器的能量密度對比圖。(c)三種不同結構電極的電荷分布圖。(d)三種不同結構電極的電荷精確分布圖。

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https://www.nature.com/articles/s41467-018-06914-7