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  在電容器的日常便攜和集成化應(yīng)用中，纖維基織物超級電容器具有巨大優(yōu)勢。然而，纖維電極中填料或橋接劑的加入和自身小體積會降低電導(dǎo)率和比表面積，導(dǎo)致低能量密度，難以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。

  近期，西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院劉哲教授團(tuán)隊(duì)基于荷花莖啟發(fā)，以MXene/CNT構(gòu)筑纖維內(nèi)部三維交纏結(jié)構(gòu)，CNT模仿其木質(zhì)部的導(dǎo)管。通過在纖維表面覆蓋PEDOT:PSS作為保護(hù)皮層，提升纖維的電化學(xué)活性。MXene為連接CNT（導(dǎo)管）和PEDOT:PSS（皮層）的韌皮部，實(shí)現(xiàn)高效的能量儲存。CNT作為纖維中的“導(dǎo)管” 能夠增大纖維比表面積，加快離子傳輸。此外，在纖維拉伸時(shí)能夠承受外力時(shí)協(xié)同分擔(dān)作用力，從而提升纖維的機(jī)械性能。這種通過結(jié)構(gòu)調(diào)控構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)的纖維電極，極大程度上增加了其比表面積，提高比電容與拉伸強(qiáng)度。最終制備的纖維在1 M H₂SO₄電解液中表現(xiàn)為417.8 F/cm3（0.5 A/cm3）的高體積比電容和優(yōu)異的倍率性能。用纖維編織成的織物超級電容器可以提供3.2 V的工作電位窗口，點(diǎn)亮LED 15 min，點(diǎn)亮電子表超過45 min。本研究創(chuàng)新性地提出仿生纖維三維結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，有效克服了智能紡織品儲能器件能量密度低的關(guān)鍵瓶頸，顯著延長了織物超級電容器的供電時(shí)間，為可穿戴電子設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用提供了重要支撐。該工作以“Microstructural Design of 3D Intertwined Biomimetic Composite Fibers for Functional Smart Textiles in Energy Storage”為題發(fā)表在《Small》上。

圖1：織物超級電容器的設(shè)計(jì)與制備。 (a) 能量存儲設(shè)備與紡織品的結(jié)合。(b) 儲能織物的制備過程。(c) 荷花莖拉斷后露出的導(dǎo)管組織。(d) MXCP纖維對應(yīng)荷花莖的仿生結(jié)構(gòu)。 (e) MXCP纖維制備過程圖。(f) MXCP纖維結(jié)構(gòu)圖。(g)  MXCP纖維細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)圖。(h) 織物超級電容器及其結(jié)構(gòu)示意圖。(i) 織物超級電容器作為表帶為手表供電。(j) 織物超級電容器為電子表供電超45min。

  如圖2所示，MXene/CNT纖維最優(yōu)性能可達(dá)到拉伸強(qiáng)度從26.5 Mpa，質(zhì)量比電容261.3 F/cm3。

圖2：MXene/CNT纖維的形貌及性能展示。MXene/CNT纖維的(a) SEM圖，(b)拉伸強(qiáng)力，(c) 奈奎斯特曲線，(d) CV曲線 (5 mV/s)，(e) GCD曲線 (1A/cm³)，(f) 體積比電容對比圖。(g) MXene/CNT (90wt%) 纖維與MXene纖維的XRD圖譜。

  模仿荷花莖結(jié)構(gòu)，采用拉伸浸漬的方法在MXene/CNT 纖維表面附著PEDOT:PSS制備MXCP (MXene/CNT/PEDOT:PSS) 仿生纖維。最終實(shí)現(xiàn)2741.7 S/cm的高電導(dǎo)率，54 MPa的拉伸強(qiáng)度，416.3 F/cm³的比電容。

圖3：MXene-CNT纖維和MXCP纖維的表面形貌和XRD、XPS表征。(a)MXene-CNT纖維的SEM圖 (b) MXCP₁纖維的SEM圖。(c) MXCP₂纖維的SEM圖。(d) MXCP₃纖維的SEM圖。(e) MXCP₄纖維的SEM圖。(f) MXCP₅纖維的SEM圖。(g) MXene/CNT纖維和MXCP纖維的XRD圖譜。MXene/CNT和MXCP纖維(h) S 2p，(i) C 1s，(j) O 1s，(k) Ti 2p的XPS圖譜。

圖4：MXCP纖維斷裂機(jī)制和電化學(xué)性能分析。(a) MXCP纖維實(shí)物圖。(b) MXCP纖維仿生結(jié)構(gòu)圖。(c) MXCP纖維拉伸過程。(d) 纖維內(nèi)部CNT的三維交纏結(jié)構(gòu)。(e) CNT的斷裂。(f) MXCP纖維的直徑。MXCP纖維的(g) 拉伸強(qiáng)力，(h) 奈奎斯特曲線，(i) CV曲線 (5 mV/s)，(j) GCD曲線 (0.1A/g)，(k) 體積比電容。

  根據(jù)GCD計(jì)算纖維超級電容器的體積比電容。在0.1 A/cm³下表現(xiàn)為84.8 F/cm³的體積比電容。計(jì)算不同功率密度下的能量密度，在216 mW/cm³的功率密度下，最大能量密度達(dá)到15.3 mW·h cm^-3。纖維電極組裝成為織物超級電容器，當(dāng)串聯(lián)4個(gè)織物超級電容器時(shí)，有最大工作電位窗口為3.2 V，這說明織物超級電容器的工作電壓范圍為0~3.2 V。如圖5g所示，織物超級電容器可以點(diǎn)亮0.04 W的藍(lán)色LED。如圖5h顯示，織物超級電容器也可點(diǎn)亮綠色LED，且點(diǎn)亮LDE的時(shí)間都能達(dá)到15 min。最后，將織物超級電容器制備成護(hù)腕連接手表，如圖5i，可以很好的為手表供電超過45 min。

圖5：MXCP₃纖維在超級電容器中的應(yīng)用。纖維超級電容器(a) 不同掃描速率下的CV曲線，(b) 不同電流密度下的GCD曲線，(c) 不同彎曲角度下電容保持值，(d) 充放電循環(huán)穩(wěn)定性和電容保持值（1A/cm3），(e) 串聯(lián)提供3.6 V工作電壓，點(diǎn)亮電子表、綠色和紅色LEDs。(f) 串聯(lián)1~4個(gè)織物超級電容器的CV圖。(g) 織物超級電容器點(diǎn)亮藍(lán)色LED，(h) 綠色LED。(i) 織物超級電容可作為表帶為手表供電，應(yīng)用在智能可穿戴服裝中可為各類電子產(chǎn)品供電。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202504594