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刺绣技术能给超级电容器带来什么新“花”样? 精选

已有 2058 次阅读 2019-11-6 17:12 |系统分类:科研笔记| 柔韧性, 标准化批处理, 磷化钴, 计算机编程绣花技术, 赝电容材料

Toward Flexible and Wearable Embroidered Supercapacitors from Cobalt Phosphides‑Decorated Conductive Fibers

Jianfeng Wen, Bingang Xu*, Jinyun Zhou

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 89

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0321-x

本文亮点
1 导电的镀银尼龙纱由于具有高导电性和柔韧性的优点,因此完全符合可穿戴超级电容器骨架的需求。

2 首次将计算机编程绣花技术用于实现各种样式的柔性超级电容器骨架的标准化批处理。

3 磷化钴作为赝电容材料电沉积在导电刺绣上,使其具有出色的电化学性能。

内容简介
作为便携式储能设备,可穿戴式超级电容器日益受到重视。为了开发高性能可穿戴超级电容器,香港理工大学纺织与服装研究所纳米技术中心的Bingang Xu课题组近期研制出一种高耐磨刺绣超级电容器。

通过将导电的叉指式刺绣作为超级电容器的集电器和骨架,并电沉积赝电容材料磷化钴,形成了第一个柔性且可穿戴的平面刺绣超级电容器。电化学测量表明,在0.6mA/cm2的电流密度下,最高比电容接近156.6mF/cm2,能量密度为0.013mWh/cm2,功率密度为0.24mW/cm2。

作为应用实例,课题组将其设计成字符图案并将其绣在实验室工作服上,作为可穿戴式平面超级电容器,既显示出良好的电化学性能,又显示出出色的柔韧性。

研究背景
随着现代便携式电子产品和智能纺织品的不断增长的需求,可穿戴式能量存储设备受到了广泛的关注和普及。尤其是超级电容器,因其在高功率密度和长循环寿命方面的不可替代的优势而引起人们的关注。

通常报道的柔性基材主要包括碳衍生材料、聚合物基薄膜以及金属箔,与真实服装相比,其柔韧性有限。相比之下,起源于常规手缝的绣花针不仅可以在织物上产生各种花样,而且可以通过计算机辅助编程技术来实现标准化的批处理。

在本文中,首次通过纺织工艺在交叉点上构造了导电镀银尼龙纱(SPNY)图案刺绣。然后将一层镍纳米阵列薄层电沉积在导电绣花上,以恢复银表面并创建更多的多孔活性位点以装载CoP。最后,将CoP微球精确地放置在NiNTA覆盖的绣花骨架上,然后组装形成全固态平面CoP@Ni NTAs@SE SC。

其不仅显示出竞争电容,而且显示出非凡的柔韧性。此外,计算机编程成功地在实验服上绣出了指定的导电图案,这对未来可穿戴式能量存储设备的大规模生产提供了广阔的前景。

图文导读
CoP@Ni NTAs@SE的制备与表征

CoP@Ni NTAs@SE的制造原理图如图1a-c所示,其中通过计算机编程成功开发了指间花纹的绣花。首先,使用软套件设计并绘制目标图案,然后将一块SPNY穿入绣花机中以绣制绣花,其中一块普通棉布粘贴在工作台上作为基材。借助计算机可穿戴技术,绣花机自动在棉织物上缝制导电SPNY图案,如图1d所示,可以对导电SE进行大规模加工。所得的SE不仅显示出优异的导电性,而且显示出优异的柔韧性。


图1 (a)导电的镀银尼龙纱锥体和棉织物的示意图; (b)计算机辅助编程图; (c)导电SE的示意图; (d)SE产品的真实照片。

图2 (a)SE单指的SEM图像; (b)原始SPNY的单根光纤; (c)SPNY的光纤表面损坏 GCD曲线; (d)Ni NTA的单根纤维; (e)CoP@Ni NTAs@SE的微球; (f-g)Co和P; (h)SEAD模式的EDS映射; (i)CoP的TEM图像; (j)SE,Ni NTAs@SE和CoP@Ni NTAs@SE的XRD曲线。

为了在导电织物上合成电活性材料,电沉积由于其显着的优势而被认为是一种有效的方法,如快速合成,合适的温度,高的质量负载等。但是,工作电极的电导率通常会对电沉积产生重大影响,特别是在表面电导率不均匀的情况下,并且无法提供预期的结果。在这里,与图2b中原始SPNY的SEM图像相比,绣花SPNY的微观表面略有损坏,如图2c所示,在SPNY上明显出现了不规则缺陷。因此,为了获得合适的电活性材料层,需要在后续步骤之前进一步修复SE的受损表面。为了恢复受损的SPNY表面并提供均匀导电的基材,通过电沉积形成了一层薄薄的金属镍,如图3a,b所示。为了最大化镍层的作用,分别进行了具有不同电压的电沉积。如图2d所示。为了确认最有利于负载CoP的镍形态,然后使用循环伏安法研究在不同镍层上生长的CoP的准电容性能。图4a显示,在1.4V下获得的镍层上CoP的重量电容高于在光滑镍表面上沉积的CoP的电容(沉积时低于1.2V)。由于镍枝晶与SPNY之间的粘附力弱,从1.6V开始的镍层上的CoP表现出不成比例的电容劣化。因此,1.4V被认为是最适合电沉积的电压。

图3 (a-c)制作CoP@Ni NTAs@SE的示意图; (d)CoP@Ni NTAs@SE概述Ni NTA的单根纤维; (e)SE, Ni NTAs@SE和CoP@Ni NTAs@SE的真实图像。

然后将CoP的电活性材料电沉积在准备好的Ni NTA上,如图3c,d所示。通常,通常通过研究不同的Ni / Co比以获得最佳的电化学性能来进行镍或钴复合材料的研究。在这方面,这里进行了三种不同的经验比(Ni / Co = 1:0,Ni / Co = 1:1,Ni / Co = 0:1),以比较不同电极之间的电容镍钴比。如图4b所示,纯磷化镍和Ni / Co 1:1磷化物的CV曲线显示出比纯磷化钴小得多的回路,因此,纯磷化钴的电活性材料被用于进一步的研究。为了获得最合适的合成条件,进行了不同CoP电沉积电压和持续时间的实验。图4c显示了在三种不同的电沉积电压(0.9、1.1和1.3V)下形成的CoP的CV曲线,其中在1.1V下获得的CoP表现出最高的电化学性能。

图4 (a)电极在不同电压下沉积镍层的电极的CV曲线; (b)以不同Ni/Co比制备的磷化物; (c)在Ni NTAs@SE上以不同电压制备的CoP; (d)Ni NTAs@SE上不同CoP的质量负载扫描电压速率为20 mV/s。

全固态刺绣超级电容器的电化学性能

作者在上述条件下成功地制作了指状图案的刺绣SC。通过将凝胶电解质(1 M PVA/LiOH)倒在CoP@Ni NTAs@SE上,并通过CV, GCD和EIS手段测试了全固态SC的电化学性能。图5a显示了在10至80 mV/s的较低电压扫描速率范围内CoP@Ni NTAs@SE的CV曲线。可以看出,当扫描速率增加时,典型的伪电容性氧化还原峰与电压的两端成比例地移动,而封闭的形状几乎保持原始状态。同样,当施加了更高的电压扫描速率,曲线显示出几乎相同的的扩大区域,如图5b所示。如图5d所示,根据充电和放电曲线得出并计算了面积和重量电容。在电流密度为0.6mA/cm2(0.25A/g)的情况下,获得的最高比电容为156.6mF/cm2(65.72F/g)。随着电流密度的增加,面积和重量电容均相应降低,在最高电流密度6mA/cm2(2.5A/g)下获得最低的比电容为33.5mF/cm2(14.06F/g)。

图5 (a)在不同的低扫描电压速率下基于CoP@Ni NTAs@SE的SC的CV曲线; (b)在不同的高扫描电压速率下的CV曲线; (c)基于CoP@Ni NTAs@SE的SC在不同面电流密度下的GCD曲线; (d)在不同电流密度下的面积和重量电容; (e)SC的GCD曲线在1.2mA/cm2处弯曲不同的时间; (f)在不同电流密度下的循环稳定性在5,000次以内; (g)CoP@Ni NTAs@SE SC的Nyquist图; (h) CoP@Ni NTAs@SE SC的Ragone图。
刺绣SC的应用

为了演示SC的柔韧性和耐磨性,作者将其加工了各种图案的绣花。如图6a所示,成功实现了两对和四对串联的刺绣SC。两对器件的CV曲线相应地显示在图6b中,测量了了从1.5到1.8V的宽范围的电压窗口,并且以100 mV/s的扫描速率获得的曲线几乎保持不变。同样,相应的GCD曲线也绘制在图6c中,并且所获得的SC能够在2.4V/cm2的电流密度下在1.8V范围内进行充电和放电。图6d显示了在真实服装上的刺绣SC,其中适当地创建了”PolyU”字母组合的SC。此外,图6f中还测试了了相应的CV和GCD曲线,图6e中的刺绣SC成功为LED供电。但是,还应注意的是,其CV环路不像具有叉指配置的SC那样对称,这主要是由于复杂的”PolyU”字母组合电路引起的串联电阻增加所致。

图6 (a)串联连接的两个和四个刺绣SC的真实照片; (b,c)串联连接的两个SC的CV和GCD曲线,电压扫描速率为100 mV/s, 电流密度为2.4 mA/c-2; (d)在实验室工作服上绣有”PolyU”字母组合的SC的绣花; (e)在”PolyU”SC上进行电化学测量; (f)”PolyU”SC的CV和GCD曲线。

作者简介


Bingang Xu教授

(本文通讯作者)

香港理工大学纺织与服装研究所

主要研究领域

可穿戴电子设备、纳米纤维、压力传感器、织物材料。

Email: tcxubg@polyu.edu.hk

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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1 黄永义

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