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3D 打印纤维电极用作非对称超级电容器和温度传

2019-01-06 21:33

随着柔性和便携式电子器件的快速发展,可穿戴能源存储器件已经成为了现代电子产品的重要组成部分。作为最有前途的电源之一,电化学超级电容器由于其高功率密度、优异的可逆性、大的比电容、低成本和长循环寿命而被广泛的应用于可穿戴电子设备。然而,低的能量密度限制了它们在许多领域的进一步发展。最近,纤维状非对称 (FASCs) 的出现已经大大解决了电化学超级电容器器件能量密度低的问题。

活性物质在电化学超级电容器系统中扮演着关键的角色,近年来,许多努力都致力于开发各种电化学活性物质和在FASCs 器件上的智能设计,以期在应用在柔性可穿戴电子器件。然而,大多数制备方法例如水热法、电化学沉积法以及湿法纺丝等在制备成本、效率、制备过程和扩大化生产等方面存在大量的限制,因此阻碍了它们的实际应用。到目前为止,通过一种简单、低成本、高制作效率、可扩大化和复杂制作能力的方法制备FASCs仍然是一个挑战。

3D打印是一种最先进的制造技术,由于其具有高生产制造效率、可量产能力、低成本和复杂性能力等特点,在先进制造材料开发方面已经引起了企业界和学术界的高度关注。这项技术已经在许多领域有所发展,例如能源方面、工程复合材料、微流体、生物技术和电子器件。最近,有科研工作者基于石墨烯材料制造了3D 打印的微型超级电容器,显示了优异的电化学性能。然而,大的平面结构限制了可穿戴能源存储器件的发展。因此,构建一个3D 打印的纤维状可穿戴能源存储器件是很有必要的。

人类总是试图去追求更舒适和吸引人的生活。温度传感器(FTSs)在适当的契机出现,用来监测温度的变化来预防疾病的出现。可穿戴温度传感器能够实时监测人类健康相关的参数,它能够提供一些新的方法来管理人体的健康状况和性能,从而支持许多新兴应用,例如电子皮肤、智能手表、机器人传感器、人家界面、健康保护、人类活动监测和环境温度测量。然而,可穿戴温度传感器主要是基于平面结构,而纤维状结构很少被报道。此外,由于还原氧化石墨烯(rGO) 能够调节带隙和活化能,因此能够作为高度敏感材料用于监测温度变化。因而,构建一个基于rGO 的柔性、可穿戴、高灵敏度和轻质的FTSs 是最优先考虑的。近年来,将能源产生、能源存储和能源转换一体化已经吸引了大量的关注。研究者采用这一策略的目标是将FTSs  FASCs集成得到集成器件用于给FTSs 供能。作为一个概念性的展示,我们制备了一个高性能、3D 打印纤维状集成器件。

 

【成果介绍】

近日,《Willey 数据库》杂志 Advanced Science 在线发表了中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所姚亚刚研究员以及天津大学材料学院鲁从华课题组关于 3D 打印纤维电极用作非对称超级电容器和温度传感器集成的全纤维集成电子器件。该工作的突出亮点在于通过 3D 打印墨水直写技术制备了纤维状集成电子器件。论文的第一作者为天津大学博士研究生赵景新,论文通讯作者为姚亚刚研究员和鲁从华教授。

 

【核心内容】

在本工作中,通过传统的静电纺丝结合 3D 打印分别制备了 V2O/SWCNTs 复合纤维正极和VN/SWCNTs 复合纤维负极材料。在 FASCs 器件中,最高比容量可以达到 116.19 mF/cm2,并且该器件具有良好的柔性。与此同时,由FASCs  FTSs 组成的集成器件的温度灵敏度为1.95 %/℃

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