纤维超级电容器是适用于可穿戴电子设备的有前途的电源，但纤维电极内部交联不足和随机结构限制了它们的性能。本研究描述了界面交联和定向结构如何制造具有高柔韧性和电化学性能的 MXene 纤维。连续且高度定向的宏观纤维由 2D MXene 片材通过液晶湿纺组件构建。原位表面改性 MXene 的富含氧阴离子的末端可以通过静电相互作用加强界面交联，同时调节纤维内的片对片层状结构。所得 MXene 纤维具有高导电性（3545 S cm
-1 ) 和机械强度 (205.5 MPa) 以及高达 1570.5 F cm
-3的高赝电容电荷存储能力。值得注意的是，组装后的纤维超级电容器在 401.9 mW cm
-3时提供 77.6 mWh cm
-3的能量密度，具有出色的灵活性和稳定性，在机械变形下表现出约 99.5% 的电容保持率，并且可以集成到商用纺织品中为微电子设备供电。这项工作为先进 MXene 纤维的制造和高性能柔性纤维超级电容器的开发提供了见解。
Fig 1. MXene片、MXene 纤维和纤维超级电容器的制备示意图。(a) 2D MXene LC 胶体的胺驱动分层。(b) MXene 纤维及其组装的纤维超级电容器的制造。
Fig 2. MXene 片的合成、鉴定和溶致液晶性。(a) 多层 MXene 的典型 SEM 形貌。(b) 单层 MXene 片的典型 TEM 图像及其 SAED 图案（插图）。(c) 单层 MXene 片的 HR-TEM 图像及其 FFT 衍射图（插图）。(d) 单层 MXene 片的典型 AFM 图像和高度剖面。(e) 浓缩 MXene LC 胶体的光学图像。(f) MXene LC 胶体在浓度为 5、16 和 25 mg·mL –1时的剪切流变特性。(g) 在 0°、45° 和 90° 的不同向错下，MXene LC 在单轴通道内分散的 POM 图像。P 和 A 分别代表偏振器和分析器方向。
Fig 3. MXene 纤维的形态和化学结构表征。(a) Ac -MXene 纤维的典型 SEM 图像。(b) Ac -MXene 纤维横截面的典型 SEM 图像。(c) 由剪切流引起的 MXene 片材自对准的示意图以及 MXene 纤维内的静电界面交联机制。(d) MXene 和Ac -MXene 纤维的高分辨率 Ti 2p XPS 光谱。(e) MXene 和Ac-的高分辨率 O 1s XPS 光谱MXene 纤维。(f) 两个相邻 MXene 片之间水合质子模型的电荷密度差异，其中黄色和青色分别代表电子积累和耗尽，以及通过 (110) 平面的相应二维切片图。(g) MXene 纤维与先前报道的基于 MXene 的纤维的拉伸强度和电导率比较。(h)嵌入商业纺织品的Ac -MXene 纤维的照片，以及纤维自行打结的照片。(i) Ac -MXene 纤维举起 20 克重物，呈现 ~50 Ω 的电阻，并用作导线构建电路的照片。
Fig 4. 基于三电极系统的 MXene 纤维的电化学评估。(a) Ac -MXene 纤维在不同扫描速率下的 CV 曲线。(b) b值的确定，用于阳极和阴极峰值电流的对数与扫描速率的对数。(c) Ac -MXene 纤维在 5 mV s
-1时对总电荷存储的电容贡献百分比（红色） 。(d) Ac -MXene 纤维在不同扫描速率下的电容贡献。(e) Ac -MXene 纤维和Cs -MXene 纤维在不同扫描速率下的比体积电容。(f) Ac-的循环稳定性MXene 纤维超过 10,000 次循环，插图显示了第 1、2000、4000、6000、8000 和 10000 次循环的 GCD 曲线。(g) 通过 MXene 纤维的高度定向结构的插层赝电容行为以及电子和离子传输路径的示意图。
Fig 5. 纤维超级电容器的电化学性能和实际电源应用的原型。(a) 纤维超级电容器在不同扫描速率下的 CV 曲线。(b) 纤维超级电容器在不同电流密度下的 GCD 曲线。(c) 与之前报道的典型纤维超级电容器相比，纤维超级电容器的体积能量和功率密度。(d) 纤维超级电容器超过 10,000 次循环的循环稳定性。插图显示了第一个和最后一个循环的 GCD 曲线。(e) 两个串联的纤维超级电容器的 GCD 曲线。(f) 两个并联的纤维超级电容器的 GCD 曲线。(g) 纤维超级电容器在0°、45°、90°、135°和180°不同弯曲角度下的电容保持率（弯曲角度计算模型如图S14所示）). (h) 具有不同机械变形的纤维超级电容器的照片，包括扁平、弯曲角度为 90°、135° 和 180° 以及打结状态。(i) 纤维超级电容器嵌入手工编织腕带为红色 LED 供电，并集成到商用手套中为电子手表供电的照片，以及充满电的纤维超级电容器集成到手套中以在机械条件下点亮绿色 LED 的照片形变。
相关研究工作由哈尔滨工业大学Yao Li课题组于2023年在线发表于《ACS Nano》期刊上，原文：Electrostatic Interfacial Cross-Linking and Structurally Oriented Fiber Constructed by Surface-Modified 2D MXene for HighPerformance Flexible Pseudocapacitive Storage。
转自《石墨烯研究》公众号
