纤维状柔性超级电容器的研究进展

随着科技的发展，传统的纺织品已经难以满足人们的需求。智能可穿戴器件的发展正掀起一场纺织技术领域的科技革命。下一代可穿戴电子设备要求系统直接集成到柔软而弯曲的人体上，并具有一定的可形变特性。因此，织物基电子器件已成为一个快速发展并具有数十亿美元规模的产业。未来智能可穿戴纺织品将呈现多功能融合的发展趋势，例如，移动式能量收集和存储、无线通讯、信息交互、自驱动传感等。纤维作为一个典型的一维柔性基底，可以通过负载活性材料的方法获得各种功能，进而通过纺纱织造制备智能可穿戴纺织品，在智能可穿戴领域具有独特的应用优势。纤维状超级电容器具有柔性、轻质、功率密度高、循环寿命长、快速充放电的优势，在可穿戴领域展现出广泛的应用潜力。然而，目前纤维状超级电容器的性能仍然难以满足智能可穿戴的应用需求，电极材料的选择、电极微纳结构的调控、离子动力学过程、反应动力学调控以及离子界面传输等问题有待深入研究。弄清楚以上问题，将有助于提升纤维状超级电容器的电化学性能，并为其他柔性储能器件的结构设计提供思路和方法。基于此，作者总结了各种碳材料纤维状柔性超级电容器的制备方法，电化学性能和及其应用，并且分析了纤维状超级电容器研究中存在的问题，并对未来的研究方向和发展趋势进行预测和展望，为高性能柔性超级电容器的结构设计提供思路和方法，为其他柔性储能器件的发展提供参考。摘要：随着智能可穿戴设备的快速发展，对柔性能量储存设备提出了更高的要求。纤维状超级电容器具有柔性、轻质、功率密度高、循环寿命长、快速充放电的优势，在可穿戴领域展现出广泛的应用潜力。碳纳米管纤维、石墨烯纤维和碳纤维具有较高的电导率，可以满足超级电容器电导率的要求，被认为是理想的纤维状超级电容器的电极材料。主要综述了碳纳米管纤维、石墨烯纤维和碳纤维基超级电容器的制备方法、电化学性能和纤维状超级电容器的应用，重点介绍了一些国内外代表性的研究工作。最后分析了纤维状超级电容器研究中存在的问题，并对未来的研究方向和发展趋势进行了预测和展望。结论虽然纤维状超级电容器具有柔性、轻质、功率密度高、循环寿命长、快速充放电的特性，并在智能可穿戴领域展现出广泛的应用潜力。然而其能量密度仍然低于电池，这也限制了其广泛应用。近年来，虽然各种新型赝电容活性材料的开发应用以及超级电容器电极材料的结构设计取得一定进展，使得纤维状超级电容器的电化学性能得到很大提升，但是纤维状超级电容器的发展仍然面临一系列的问题：（1）现有的纤维状超级电容器的性能评价指标不统一，比如面积比、体积比、长度比、质量比，因此，迫切需要统一的性能评价标准；（2）纤维状超级电容器的能量密度有待进一步提升，尤其是体积比能量密度；（3）纤维状超级电容器如何与其他智能可穿戴器件集成，提高其输出功率并为大功率可穿戴电子器件提供能量；（4）如何织造大面积基于纤维状超级电容器的超级电容器织物仍然面临困难，纤维状超级电容器的织造工艺有待进一步完善；（5）纤维电极材料的电化学性能和机械性能需要进行平衡，以满足实际应用需求；（6）纤维电极径向离子传递过程和轴向电子传输过程仍需要进行调控，以获得更优异的倍率性能和更高的比电容。因