柔性电子产品的快速发展吸引了人们对具有卓越机械性能的储能单元的研究兴趣，这些储能单元尤其适用于便携式和可穿戴设备。近年来，柔性锂离子电容器 (FLIC) 已发展成为一种极具前景的柔性储能单元。 FLIC由电池型负极和电容器型正极组成，具有高能量密度、高功率密度和长循环稳定性等优点。为了克服传统粉末电极的本征易碎性，研究人员探索了石墨烯、碳纳米管、碳纤维（CF）和碳布等多种柔性基材以应用于FLIC。其中，CF由于其简单的合成方法、长的导电路径和优异的柔韧性而显示出广阔的前景。然而，纯CF负极材料的低比容量和缓慢的反应动力学严重限制了 FLIC 的性能。为了提高CF基负极材料的能量和功率密度，一种有效的策略是将它们与高活性材料耦合。作为一种高容量型负极材料，纳米结构过渡金属硫化物（TMS）的理论容量至少是传统石墨和其他插入型负极材料的两倍。近年来，各种TMS被用于与CF复合以制造高容量型负极材料，但是，这些TMS复合材料缓慢的反应动力学和较差的倍率能力阻碍了其广泛的应用。

鉴于此， 清华大学黄正宏教授在Energy Materials and Devices上发表了题为 “ZnS/CuS nanoparticles encapsulated in multichannel carbon fibers as high-performance anode materials for flexible Li-ion capacitors” 的最新研究成果。

本文要点：

1. 在这篇工作中，作者使用简单的溶液吹纺方法和硫化工艺，成功制备了 ZnS/CuS-CF 负极材料。

2. 作者利用高温碳化手段原位分解PMMA模板以形成多通道结构。所得到的CF充当导电网络和 3D 基底，可适应ZnS 和 CuS 纳米颗粒的体积膨胀，并最大限度地发挥二者的高容量特性。这提高了CF基负极材料的比容量和循环稳定性。

3. 此外，ZnS/CuS纳米颗粒均匀分布在CF上，并且ZnS和CuS之间形成了界面。与仅含有单一TMS的ZnS-CF和CuS-CF样品相比，ZnS/CuS-CF负极表现出超过900 mAh g−1的高比容量和优异的循环稳定性。 这归因于两种不同金属硫化物的协同效应。

4. ZnS/CuS-CF 负极与多孔碳纤维（在 850 ℃ 下蒸汽活化处理 (PCF-H2O-850 ℃)）正极所组装的 LIC 表现出优异的能量和功率密度（944 W kg−1 时为 138 Wh kg−1，43.5 kW kg−1 时为 13 Wh kg−1），以及卓越的循环稳定性（1 A g−1 下可稳定循环 4000 次）。

5. 此外，以上述正负极材料所组装的软包FLIC在不同弯曲条件下均表现出良好的稳定性，这表明其具有良好的实际应用潜力，可用于智能、柔性电子设备的开发。

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Citation: Li B, Wang C, Qin Z, et al. ZnS/CuS nanoparticles encapsulated in multichannel carbon fibers as high-performance anode materials for flexible Li-ion capacitors. Energy Mater. Devices, 2023, 1(2): 9370012.

DOI: https://doi.org/10.26599/EMD.2023.9370012

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