用于高级电化学储能的碳基纤维设备了解一下！

先进的电化学储能装置(EESDs)可以有效地储存电能，同时又具有微型/柔性/可穿戴/承重的特点，因此，从柔性/可穿戴/便携式电子产品到轻型电动汽车/航空航天设备，各种应用都需要它。然而，传统的EESDs体积庞大且刚性好，能量/功率密度低，不适合承载。因此，开发先进的EESDs成为满足这些新需求的迫切需要，并在很大程度上依赖于先进的能源材料和器件结构的新设计。碳基纤维(CFs)因其轻质、高导电性、优异的机械强度、柔韧性和可调的电化学性能，在这些先进的EESDs(如超级电容器和电池)的发展中具有巨大的潜力。在此我们介绍一下碳基纤维的制备技术，以及提高其机械、电气和电化学性能的各种方法，以及来自这些碳基纤维的EESDs高级的设计、装配和潜在的应用。分享碳基纤维在高级电沉积中的应用前景和面临的挑战。

1 EESDs和CFs介绍

电化学储能装置(EESDs)包括超级电容器和可充电电池，由正负电极、分离器和液态或凝胶态的电解质组成。工作电极通常由一层含有活性材料、聚合物粘合剂和导电剂的金属箔或泡沫作为电流收集器。有时，高导电性活性层可以作为独立电极；碳纳米管和石墨烯等活性材料也可以组装成独立的导电薄膜、泡沫或纤维电极，因此粘合剂和导电剂被淘汰。通过电化学过程以可逆、高效、方便的方式储存和释放电能，广泛应用于便携式电子、电动汽车和航空/航天设备等领域。

基于CF的超级电容器的典型配置

图片来源：DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00466

碳基纤维(CFs)被认为是以碳为主要成分的长(一般为>1 mm)纤维。碳纤维的直径通常在几十纳米到几十微米之间，这使得它们可以被划分为碳纳米纤维(CNFs,直径< 1μm)和碳超细纤维(CMFs,直径> 1μm)。CFs较长，机械强度强，柔韧性好，并具有良好的导电性和电化学性能。这些特性意味着CFs及其织物可以作为理想的无粘结剂、自立、坚固和灵活的电极，它们可以组装成线状和纺织的EESDs，可以作为小型/柔性/可穿戴电子设备和智能服装的特殊电源。这些先进的EESDs有利于开发便携式电子、电动汽车、航空和航天设备，具有显著的减重和延长续航能力。因此，CFs是一种很有前途的先进EESDs材料。

高级电化学储能的碳基纤维及潜在应用

图片来源：DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00466

2 CFs的制备及性能改善

CFs可以通过两种主要的方法产生：原丝碳化和由碳纳米材料纺丝

原丝碳化，前驱纤维从自然资源中获得，由聚合物或沥青纺成，或由小分子合成，然后经受高温(>500℃，通常为∼1000℃)碳化。碳纳米材料纺丝，碳纳米管和石墨烯(氧化物)等纳米碳化物是通过化学气相沉积法(CVD)或化学剥离合成，然后由气溶胶、湿分散体或固体阵列/膜纺成纤维。

气/液/固相组装的典型方法

图片来源：DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00466

CFs电化学性能的改善

CFs的电化学性能在很大程度上是由其结构决定的，其机电性能也是如此。

电化学性能改善方法

图片来源：DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00466

3 CFs基超级电容器

CFs的电化学性能在很大程度上是由其结构决定的，其机电性能也是如此。提高CF电极的比电容是高性能超级电容器的关键问题。

提高CF基超级电容器能量和功率密度的方法

• 使用非对称配置

采用非对称结构可以有效地提高超级电容器的工作电压和能量、功率密度，即在正负电极上使用不同的PWs活性材料，或在两个电极上使用相同的活性材料，但质量比不同。常用的正极活性材料有金属氧化物/氢氧化物/硫化物层状双氢氧化物、导电聚合物、碳纳米材料。该负极活性材料可以是碳纳米材料金属氧化物、氮化物、磷化物等数百种正极和负极材料的组合可用于配置非对称超级电容器。

比如：

可拉伸线形非对称超级电容器的设计

东华大学俞建勇教授、李发学副教授与美国特拉华大学邹祖炜教授合作，在ACS Nano上发表题为“Stretchable Wire-Shaped Asymmetric Supercapacitors Based on Pristine and MnO₂ Coated Carbon Nanotube Fibers”的论文，将非对称的结构应用在线形超级电容器中，使超级电容器电压范围从0.8 V扩展到1.5V，且装置的能量密度和功率密度分别是对应非对称超级电容器三倍和两倍。非对称线形超级电容器由作为正极的MnO₂/CNT复合纤维，作为负极的气凝胶CNT纤维以及作为电解质的KOH-PVA凝胶组成。利用Dow XLA弹性纤维作为基体以及“先预拉伸-后屈曲”的方法，赋予了其100%可拉伸性。这个非对称的可拉伸超级电容器具有较高的比电容157.53 µF cm-1 (扫描速率为 50 mV s^-1时），较高的能量密度（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，高达100%的循环拉伸应变仅它的电化学性能造成了微小影响。另外，经过10000次的恒电流充放电循环，比电容仍然保持了99%以上，表明良好的长期循环稳定性。非对称的结构被证明是一种优异的超级电容器的结构，用以达到较高的工作电压和高能量密度，而不牺牲功率及循环稳定性。

文献链接：DOI: 10.1021/acsnano.5b01244 

柔性全固态非对称超级电容器的设计

近年来，纤维型柔性超级电容器因其在可穿戴电子领域的潜在应用而受到广泛关注。然而，有限的能量密度仍然是制约其实际应用的严重瓶颈。东华大学朱美芳教授团队在Carbon上发表题为“Flexible all-solid-state asymmetric supercapacitor based on transition metal oxide nanorods/reduced graphene oxide hybrid fibers with high energy density”的论文，通过一种简便、可扩展的湿纺方法制备过渡金属氧化物纳米棒/还原氧化石墨烯(rGO)混合纤维。由于过渡金属氧化物纳米棒与还原氧化石墨烯的协同作用，使杂化纤维的电化学性能得到了很大的改善。以MnO₂纳米棒/rGO杂化纤维为正极，MoO₃纳米棒/rGO杂化纤维为负极，H₃PO₄/聚乙烯醇(PVA)为电解液，构建了全固态非对称超级电容器。根据MnO₂和MoO₃之间不同的工作电位窗口，优化后的非对称超级电容器可以在1.6 V的高压下进行可逆循环，并在76.4 mW cm^-3的功率密度下提供18.2 mWh cm^-3的优越体积能量密度。此外，非对称超级电容器还具有显著的循环稳定性和良好的柔性和机械稳定性。

文献链接：DOI: 10.1016/j.carbon.2016.11.051 

• 使用高压电解质

电解液是超级电容器的另一个重要组成部分，它主要决定超级电容器的工作电压。超级电容器最广泛使用的电解质是水溶液，由于它们的高离子电导率、低离子半径、环境友好性和不可燃性，使用高压电解液是提高CF型超级电容器能量和功率密度的有效途径。

比如：

三维高能量密度离子液体超级电容器电极

德雷塞尔大学的Vibha Kalra教授等人在Chem. Commun.上发表题为“Binder-free three-dimensional high energy density electrodes for ionic-liquid supercapacitors”的论文，演示了一种简便的方法来制作无粘结剂多孔碳纳米纤维电极用于室温离子液体超级电容器。研究了无粘结剂电纺碳纳米纤维在室温离子液体超级电容器中的电化学行为。样品的比电容高达180 F g^-1，能量密度为80W h kg^-1。同时在扫描速率为200mV s^-1时，样品表现出近乎理想的CV曲线。表明了快速动力学和高功率处理能力。结果表明，在5000个充放电循环中，样品是稳定的。

文献链接：DOI: 10.1039/c5cc04359j

基于离子凝胶和多孔碳纳米纤维电极的高度耐用固态超级电容器

德雷塞尔大学的Vibha Kalra教授在ACS Appl. Mater. Interfaces上发表题为“Highly Durable, Self-Standing Solid-State Supercapacitor Based on an Ionic Liquid-Rich Ionogel and Porous Carbon Nanofiber Electrodes”的论文，将含有95%的IL(1-乙基-3-甲基咪唑双亚胺)和5%的甲基纤维素(一种聚合物基质)的离子液体(IL)的离子凝胶与高度互联的3D活性炭纳米纤维(CNF)电极相结合，制备出高性能的固态超级电容器。该离子凝胶具有很强的机械性能，其储存模量为5 MPa，在25℃下的高离子电导率为5.7 mS cm⁻¹。通过静电纺丝技术获得的高表面积CDF基电极(2282 m² g⁻¹)，CNF电极的多孔结构有利于柔软但机械耐用的离子凝胶膜的轻松渗透，从而使多孔纳米纤维和凝胶电解质界面之间的亲密接触成为可能。超级电容器显示出良好的电容特性，包括153 F g⁻¹的重量电容，65 W h kg⁻¹的高比能密度，高循环稳定性，在1A g⁻¹的2万次充放电循环后，电容衰减仅为4%。

文献链接：DOI: 10.1021/acsami.7b07479 

• 使用氧化还原活性电解质

考虑到电解质占相当大的质量/体积分数，以CF为基础的超级电容器，通过加入一些氧化还原活性添加剂来增加能量密度是有效的。氧化还原添加剂应在电解质中具有良好的溶解度，或能吸附在电极上，并能在循环充放电过程中发生可逆的还原/氧化反应。

比如：

双氧化还原离子液体用于高比能超级电容器

蒙彼利埃第一大学 Olivier Fontaine教授等人在Nature Materials上发表题为“Biredox ionic liquids with solid-like redox density in the liquid state for high-energy supercapacitors”的论文，介绍了基于双氧化还原（biredox）离子液体，在类液体快速动力学情况下实现类固体材料氧化还原密度的方法。这些双氧化还原离子液体的阳离子和阴离子带有能进行快速可逆氧化还原反应的分子。证明其用于高容量/高速率电荷存储的潜力，并在氧化还原超级电容器上进行了演示。这些离子液体能够通过在电极的孔中存储大量电荷来将电荷存储与离子通过的电极表面去耦合，以使由于将氧化还原物质保留在孔中而导致的自放电和泄漏电流最小化，并由它们较宽的电化学窗口来提高工作电压。

文献链接：DOI: 10.1038/nmat4808 

引入双极性有机氧化还原自由基激发双电层电容器

碳基电化学双层电容器(EDLCs)通常具有高功率和长寿命，但能量密度/电容较低。碳材料的孔/形态优化和假电容材料修饰已被用来提高电极电容。在电解液中加入可溶性氧化还原介质是提高电极电容的一个有前途的选择。华中科技大学的李会巧教授和复旦大学的王永刚教授团队在Angew.上发表题为“Energize Electrochemical Double Layer Capacitor by Introducing an Ambipolar Organic Redox Radical in Electrolyte”的论文，将一个双极性有机自由基TEMPO（2, 2, 6,6-tetramethylpiperidinyloxyl）引入电解液中，通过正极的氧化和负极的还原，可以显著地增加赝电容。带有TEMPO介质的EDLC的能量密度高达51 Wh kg-1，是不含TEMPO介质的电容器的2.4倍，该电容器也表现出了优异的循环稳定性，长周期稳定性超过4000个周期。所获得的结果可能为提高EDLCs的能量密度提供新的途径。

文献链接：DOI: 10.1002/anie.201804582 

• 使用金属电流收集器

通过使用高导电性的金属电流收集器可以快速地将电子传导到活性材料或从活性材料传导到活性材料，显然可以提高速率性能。在平面超级电容器的情况下，通常使用不锈钢/铝/铂箔/薄膜。

比如：

纺织品用超高速充放电的超级电容器

柔性、可穿戴、可植入式和易于重构的超级电容器为电子设备提供了高能量和功率密度。韩国汉阳大学的Seon Jeong Kim教授等人在Nature Commun.上发表题为“Ultrafast charge and discharge biscrolled yarn supercapacitors for textiles and microdevices”的论文，演示了可编织、可缝纫、可打结和可编织的纱线，它们是氧化还原超级电容器的高性能电极。Biscrolling可以将数百层导电聚合物渗透的碳纳米管片卷成直径为20um的纱线。用金属线集流器连接双biscrolled纱线可以提高发电能力。容量高(可达179 F cm ^-3)，对于液体和固体电解质，合股线超级电容器的放电电流随电压扫描率的增大而线性增大.完整的超级电容器具有极高的能量密度和功率密度，高的循环寿命(分别为92%和99%，经过10,000次循环)对电子纺织品的应用具有重要意义。

文献链接：DOI: 10.1016/j.jpowsour.2015.12.114 

基于碳纳米管/不锈钢芯纱的双股线超级电容器

线性超级电容器在电子纺织领域有着巨大的发展潜力。然而，目前报道的大多数纱线超级电容器的能量密度仍然很低，并且随着超级电容器长度的增加而显著降低。华南理工大学的Fenghua Su教授联合澳大利亚CSIRO的Menghe Miao教授在Journal of Power Sources发表题为“Two-ply yarn supercapacitor based on carbon nanotube/stainless steel core-sheath yarn electrodes and ionic liquid electrolyte”的论文，报告了一种基于碳纳米管/不锈钢包芯纱电极和离子液体电解质的双层超级电容器。IL凝胶电解质的使用使超级电容器的电位窗口从1.0 V扩大到2.7 V。碳纳米管/不锈钢包芯纱结构大大提高了电荷传输效率，并允许线性超级电容器的长度大幅增加。所得到的超级电容器具有卓越的电化学性能，其高容量电容为263.31 F cm^-3，能量密度为6.67ⅹ10^-2 Wh cm^-3。

文献链接：DOI: 10.1016/j.jpowsour.2015.12.114 

4 CFs基可充电电池和混合电池

与超级电容器相比，可充电电池和混合电池可以提供更高的能量密度。在这些金属离子电池和混合电池中，多功能的CFs可以作为本质上的活性正负极材料，导电添加剂和功能电流收集器和中间层添加到其中，

其具有以下优点：其大孔结构具有良好的电解质渗透和离子扩散动力学；

它们的连续导电网络提供了快速电荷(电子或空穴)向活性材料和金属离子的传输；

不需要聚合物粘结剂或导电剂，可作为独立的、柔性的、轻质的、甚至结构电极使用。

• 纯CFs作为阳极

可作为锂离子电池和电容器的阳极，作为钠/钾离子电池和电容的阳极等。

比如：

来自木质素的高强度锂离子电池阳极

美国橡树岭国家实验室的Wyatt E. Tenhaeff教授等人在AFM上发表为题“Highly Robust Lithium Ion Battery Anodes from Lignin: An Abundant, Renewable, and Low-Cost Material”的论文，报道了一种完全由天然和可再生资源制成的低成本电池电极的合成、加工和性能。这种阳极材料具有可调的电化学性能，适用于高功率和高能量的应用。提出了一种能直接产生电互连三维结构的合成方法，其中碳框架作为集电体和锂插入材料，消除了传统设计中惰性材料的额外质量和费用。纤维状碳电极材料是利用可扩展的熔体加工技术和热转换方法从萃取木质素的溶剂中得到的。所得到的独立电极的电化学性能与商用碳基阳极相当，而材料和加工成本仅为后者的几分之一。组分和电化学表征表明，碳化木质素具有无序的纳米晶结构。在传统的非质子型有机电解质中，碳化毡循环可逆，库仑效率超过99.9%。此外，在2000℃碳化的木质素碳纤维在1M LiPF₆的碳酸丙烯酯中可以可逆循环。

文献链接：DOI: 10.1002/adfm.201301420 

富氮CF基钠电容器阳极的电荷存储机制

马克斯·普朗克胶体和界面研究所的Martin Oschatz教授等人在 AFM上发表题为“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”的论文，以六氮杂苯二腈(HAT-CN)和聚乙烯吡咯烷酮为原料，通过电纺丝的方法制备微孔富氮炭纤维(HAT-CNFs)。结键动机、电子结构、氮杂原子含量、孔隙率、碳堆积程度等都可以通过冷凝温度来控制。HAT-CNFs具有显著的可逆容量(0.1 A g⁻¹时为395 mAh g⁻¹)和速率能力(10 A g⁻¹时为106 mAh g⁻¹)，可作为钠储存的正极材料，HAT-CNFs还作为一系列模型化合物，用于研究插层和以不同速率可逆结合在氮位点上对钠储存的贡献。以HAT-CNF为阳极，以盐模压多孔碳为阴极的混合式钠离子电容全电池，在0.5-4.0 V的电压范围内具有显著的性能。

文献链接：DOI: 10.1002/adfm.201902858 

• 客载的CFs作为阳极

多种非碳负极材料可以同时提供高容量和良好的充放电平台。因此,杂化CFs与这些电子材料一起，同时引入充电平台，因此有效地增加了锂/钠/钾离子电池和电容器的能量密度。

比如：

T-Nb₂O₅/碳纳米纤维膜实现柔性高功率钠离子电容器

混合钠离子电容器因其兼具电池和超级电容器的优点以及钠资源的低成本而备受关注。然而，阳极中Na⁺的缓慢扩散阻碍了其的进一步发展。为了实现快速氧化还原动力学，华中科技大学胡先罗教授课题组在Small上发表题为“Mesopore-Induced Ultrafast Na+-Storage in T-Nb₂O₅/Carbon Nanofber Films toward Flexible High-Power Na-Ion Capacitors”的论文，通过原位SiO₂ 刻蚀技术组装了介孔正交Nb₂O₅-碳纳米纤维网络。所得的介孔材料为T-Nb₂O₅(m-Nb₂O₅)/CNF膜是机械柔性的，不使用任何添加剂、粘合剂或电流收集器。原位形成的介孔可以有效地提高m-Nb₂O₅/CNF电极的Na⁺存储性能，比如良好的倍率能力(最高可达150℃)和出色的循环能力(100℃下10000次循环后的保留率为94%)。基于m-Nb₂O₅/CNF阳极和石墨烯框架(GF)/介孔碳纳米管(mCNF)阴极的柔性器件，在55Wh/kg的能量密度下具有60KW/kg的超高能量密度。

文献链接：DOI: 10.1002/smll.201804539

硅/石墨烯/碳纳米线三维柔性电极

开发高性能、长循环寿命的电极材料是锂离子电池的核心问题。湖南大学的鲁兵安教授课题组在ACS Nano上发表题为“Atomic-Scale Control of Silicon Expansion
Space as Ultrastable Battery Anodes”的论文，利用原子层沉积和静电纺丝相结合制备了硅/石墨烯/碳纳米线三维柔性电极。利用原子层沉积巧妙地实现了纳米硅在充放电过程中的膨胀空间原子级别的控制。硅纳米颗粒被精确和可控的空隙空间所包围，从而保证了优异的机械强度，并提供了足够的空间来克服硅纳米颗粒在充放电过程中体积膨胀所造成的损伤。同时由于石墨烯和碳纤维的高导电性使得电极材料具有良好的倍率性能，在700 mA/g的电流密度循环1050次后（8个月左右时间持续循环），该电极材料任展现出2002 mAh/g的可逆容量（平均每个循环衰减0.006％）。

文献链接：DOI:10.1021/acsnano.6b04522

• 客载CFs为阴极

由于CFs在普通电解质的电位窗内容量较低，因此很少被研究作为本质上是可充电电池的活性阴极材料。因此，有必要将导电CFs与高容量阴极材料相结合，作为柔性/可穿戴/结构电池的阴极。

比如：

一种线状的锂硫电池

复旦大学的彭慧胜教授在AM上发表题为“A Cable-Shaped Lithium Sulfur Battery”的论文，报告了一维线状的锂硫电池使用碳纳米复合纤维作为硫阴极。这归功于于碳纳米管(CNT)、介孔碳(MC)颗粒和氧化石墨烯(GO)层的综合优点，阴极具有良好的物理性能和较高的电化学性能。以该复合纤维为硫阴极，制备线状锂硫电池。它展示了改进的寿命和显著的变形顺应性，使它超越其他光纤形电池和领先于其他柔性能源设备。这项工作为可穿戴设备的高漏磁率和高能量密度之间的鸿沟提供了一个通用的解决方案。

文献链接：DOI: 10.1002/adma.201504241

具有优异的电化学性能的柔性多孔碳纳米纤维-硒阴极

中国科学技术大学朱彦武教授等人在AEM上发表题为“A Flexible Porous Carbon Nanofibers-Selenium Cathode with Superior Electrochemical Performance for Both Li-Se and Na-Se Batteries”的论文将硒渗透到介孔碳纳米纤维(PCNFs)中，制备了一种柔性、自立的多孔碳纳米纤维/硒复合电极(Se@PCNFs)。具有优化介孔容纳硒的多孔碳可以协同抑制活性物质的溶解，提供膜所需的机械稳定性。Se@PCNFs电极在锂离子和钠离子存储方面都表现出优异的电化学性能。对于锂离子存储器，经过900次循环后，它的可逆容量为516mA g⁻¹，而在0.5 A g⁻¹下没有任何容量损失。当用于钠-硒电池时，该复合电极在以0.05 Ag⁻¹的速率进行80次循环后，其可逆容量为520 mAh g⁻¹，1 A g⁻¹速率为230 mAh g⁻¹。由于硒在PCNFs中的均匀分布与三维互联的PCNFs骨架的协同作用，使得硒在PCNFs中具有高的容量、良好的循环性和速率能力，可以缓解多硒化合物中间体在循环过程中的穿梭反应，并在整个电极中保持良好的导电性。通过合理、精巧的设计，这种自支撑电极有望成为高功率、高能量密度锂-硒电池和钠-硒电池的发展方向。

文献链接：DOI: 10.1002/aenm.201401377 

• CFs作为导电添加剂等

由于CFs的高纵横比和良好的导电性，它在提高可充电电池活性电极的导电性和电化学性能方面优于其他导电添加剂/中间层。

比如：

构建碳纤维三维网络实现Na₃V₂(PO₄)₃@碳负载的超长循环寿命和超高速钠离子电池

大多数柔性电极中活性材料的质量载荷较低，这大大阻碍了它们的实际应用。北京理工大学的Minhua Cao联合韩国汉阳大学Yang-Kook Sun教授等人在Nano Energy上发表题为“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”的论文，报告了一种简单的策略来实现高质量负载的Na₃V₂(PO4)₃@碳(NVP@C-CC)在碳布(NVP@C- CC)上，通过两步涂层和退火处理，得到的NVP@C- cc膜可以用作钠离子电池(SIBs)的无粘结阴极。NVP@C不仅均匀地固定在CC的碳纤维表面，而且碳纤维之间以互联的三维(3D)大孔结构填充。正是因为充分利用了碳纤维之间的空隙，我们实现了高的NVP@C质量负载。充分评估的电池阴极(阳极为NaTi₂(PO₄)₃@C)，它也表现出优越的循环稳定性和速率性能时。本研究为实现柔性储能装置中柔性支架上活性材料的高质量负载提供了一种新的策略。通过在碳纤维间建立三维网络，实现了高质量负载的NVP@C-CC电极。NVP@C-CC电极对钠半电池和全电池阴极均表现出良好的循环性能和优越的速率容量(阳极为NaTi₂(PO₄)₃@C)。

文献链接：DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.12.038 

用于高稳定钠金属阳极的3D柔性碳毡主体

具有高理论容量和最低电化学电位的钠（Na）金属被认为是用于钠金属电池的有前景的负极材料。然而，Na的枝晶生长和循环中的大体积变化严重阻碍了其实际应用。北京科技大学范丽珍教授等人在AEM上发表题为“3D Flexible Carbon Felt Host for Highly Stable Sodium Metal Anodes”的论文，表明已经大规模商业化的3D柔性碳（C）毡可以用于通过熔融注入策略预存Na的主体，通过该注入策略获得Na/C复合负极。由于金属Na被限制在导电碳毡主体中，所以得到的负极在对称电池中的碳酸盐基电解质中表现出稳定的电压分布和120次循环的小滞后，这增加了Na⁺沉积位点以降低有效电流密度并使Na形核均匀，从而限制电化学循环中的尺寸变化。更重要的是，可以有效抑制钠枝晶生长和大体积变化。当与Na_0.67Ni_0.33Mn_0.67O₂正极结合时，Na/C复合材料在全电池中表现出良好的适用性。

文献链接：DOI: 10.1002/aenm.201702764 

5 基于CFs的高级EESDs的应用

高容量柔性锂离子电池用于智能导电纺织品

智能导电纺织品具有固有的柔性、纤维网状、表面粗糙、附着力强、导电性好等优点，被用作柔性LIBs的电流收集器。纳米尺寸的氧化钛锂(LTO)和磷酸铁锂(LFP)活性材料进一步增强了导电性和柔韧性，韩国汉阳大学的Yun Jung Lee教授等人在Small上发表题为“Flexible Lithium-Ion Batteries with High Areal Capacity Enabled by Smart Conductive Textiles”的论文，设计将它们与柔性的二维石墨烯混合，由此产生的LTO/LFP全电池具有较高的面积容量和灵活性，并能承受机械疲劳。该电池的容量达到1.2 mA h cm⁻²，同时表现出良好的灵活性，电池在10 mm的弯曲半径下反复弯曲1000次后表现出稳定的开路电压保持能力，未弯曲电池的放电容量在分别以30、20和10 mm的弯曲半径弯曲100次后的电池中得以保留，这证实了这种电极配置可成功防止重复变形时结构损坏（分层或破裂）。

文献链接：DOI:10.1002/smll.201703418

导电碳素织物照片及电极制备示意图

基于改性碳纤维的多功能结构超级电容器复合材料

伦敦帝国理工学院的Milo S. P. Shaffer 教授等人在ACS Appl. Mater. Interfaces上发表题为“Multifunctional Structural Supercapacitor Composites Based on Carbon Aerogel Modified High Performance Carbon Fiber Fabric”的论文，设计了一种新型多功能材料，将结构碳纤维织物嵌入碳气凝胶（CAG）的连续网络中，形成了一个粘结但多孔的整体，可提供出色的机械性能，同时拥有适合电化学能量存储的高电化学表面积。结果表明，CAG改性工艺具有可扩展性，并且与一系列具有不同表面特性的碳纤维织物兼容。CAG的加入显着增加了碳纤维织物的表面积，因此使电化学性能提高了约100倍。使用离子液体（IL）电解质，在将CAG引入碳纤维织物后，估计的能量密度从0.003增至1 Wh kg^-1。将两种浸有CAG的碳纤维织物夹在绝缘隔板周围，以形成功能正常的结构电化学双层电容器复合材料。 CAG改性不仅改善了电化学表面积，而且增强了一次纤维周围的聚合物基体，从而显着改善了基体主导的复合材料的性能。观察到面内剪切强度和模量提高了4.5倍，这表明CAG改性的结构碳纤维织物在结构和多功能储能应用中都有希望。

文献链接：DOI: 10.1021/am400947j 

基于CAG改性的多功能结构超级电容器装置概念示意图

电致变色的纤维型超级电容器

智能电子产品代表了现代电子学中一个崭新的，有希望的方向。智能电子设备（例如智能手机，智能手环和眼镜）的普及，重新引起了人们对其储能配件的兴趣。 复旦大学的彭慧胜团队在AM上发表题为“Electrochromic Fiber-Shaped Supercapacitors”的论文，通过在弹性纤维上缠绕取向的碳纳米管/聚苯胺复合薄膜电极，开发了一种新型的电致变色、柔性、可拉伸的纤维型超级电容器。这些纤维形状的超级电容器在不同的工作阶段之间表现出快速且可逆的彩色转换，因此提供了有关其工作状态的动态且有效的信息。虽然在PANI的基础上主要展示了三种典型的颜色，即淡黄色、蓝色和绿色，但是其他颜色也可以根据同样的策略选择其他聚合物或金属氧化物等无机材料来实现。这些电致变色的纤维型超级电容器在弯曲、拉伸等变形条件下也表现出良好的电化学性能，除用于储能外，还可广泛应用于显示领域。这项工作可以作为通过探索高效的铬合金或其他智能电子设备来开发显示产品的起点。

文献链接：DOI: 10.1002/adma.201403243

充放电过程中的色转变

挑战与展望

先前的研究已经证明，CFs是构建广泛应用的高级EESDs的优秀候选。然而，在实现大规模应用程序之前，它们仍然面临许多挑战：基本构件的结构和性能需要合成具有精确结构的前驱体和纳米碳化物；控制纤维的形成过程对适用于不同应用的高级EESD，高效低成本大规模生产CFs至关重要；有效地设计和组装具有高重量/体积能量和功率密度且使用寿命长的可靠EESDs。然而，CF家族的新成员可能在不久的将来被开发，例如，石墨烯纤维、玻碳纤维和碳炔纤维，为先进的EESDs提供了新的微观结构、新的性能和新的机会。随着CFs生产技术的突破和EESD系统的发展，我们相信CFs将在帮助我们的日常生活和实现一个清洁能源的世界中扮演重要的角色。

本文由Junas供稿。

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