便攜式智能紡織電子產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展對安全、輕便、緊湊的纖維狀儲能器件產(chǎn)生了極大的需求。由于這類器件最終要集成到我們的日常衣物中，這使得水系電解質(zhì)和輕質(zhì)碳基纖維集流體成為理想的選擇。因此，在過去數(shù)年中，大量的工作致力于提高以碳基纖維作為集流體的水系儲能器件的性能。然而，相比于金屬纖維，碳基纖維集流體通常具有較大的電阻。電阻的分壓作用使得沿集流體長度方向的電流逐漸減少。當(dāng)器件足夠長時，這一現(xiàn)象會嚴重降低器件遠端活性材料的利用率，導(dǎo)致器件性能與其長度呈負相關(guān)。因此如何突破現(xiàn)有結(jié)構(gòu)對有限長度纖維儲能器件性能的限制，是其最終能否走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。
類比于硅基芯片領(lǐng)域中朝著三維方向的堆疊去提高芯片的性能，纖維儲能器件的徑向可擴展性是一個很有潛力的可以有效提高器件性能的研究領(lǐng)域。然而，纖維狀儲能器件的徑向可擴展通常會涉及多個纖維電極的不同排列，而且器件在實際應(yīng)用中不可避免地會受到彎曲和拉伸以及其它外力的影響。不幸的是，現(xiàn)有的纖維儲能器件的制備方法不僅無法滿足多個電極之間的穩(wěn)定的力學(xué)分布，更談不上去探究電極間不同的結(jié)構(gòu)排布對器件電化學(xué)性能的影響。
為了穩(wěn)定有效的實現(xiàn)纖維狀儲能器件的徑向可擴展，南京大學(xué)姚亞剛/北京大學(xué)張錦院士團隊連同魯汶大學(xué)Jan Fransaer和浙江大學(xué)張漩團隊提出了一種同步扭轉(zhuǎn)的策略用于器件的組裝。結(jié)合最優(yōu)的電極排布，這種策略不僅實現(xiàn)了器件的徑向可擴展性，還確保了多個纖維正負極之間均勻的電流分布和穩(wěn)定的力學(xué)排布。以此策略為藍圖制備的水系鋅-二氧化錳能量存儲織物的能量密度達到86.9 Wh·m?2。在相同的活性材料載量下(70 mg MnO2)，基于三層同軸擴展結(jié)構(gòu)的纖維狀水系鋅-二氧化錳電池的能量密度分別超過傳統(tǒng)纏繞結(jié)構(gòu)和同軸結(jié)構(gòu)的30倍和7倍。隨著擴展層數(shù)和活性物質(zhì)載量的增加，這一優(yōu)勢會更加明顯。
相關(guān)工作以題為“A synchronous-twisting method to realize radial scalability in fibrous energy storage devices”發(fā)表在綜合期刊Science Advances上。文章第一作者：周振宇，謝思杰，蔡恒。文章通訊作者：周振宇，張漩，姚亞剛，張錦，Jan Fransaer。該工作得到了比利時EOS-ECOBAT Project Consortium和教育部“長江學(xué)者獎勵計劃”等的支持，同時也得到了固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心以及江蘇省功能材料設(shè)計原理與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室的大力支持與幫助。
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