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  纖維狀超級電容器（FSSCs）具有重量輕、體積小和可紡、可編織等優(yōu)點(diǎn)，在可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景。然而纖維本身的小尺寸、高長徑比的特點(diǎn)往往不利于活性物質(zhì)的負(fù)載，進(jìn)而大大限制了纖維狀超級電容器的容量和使用穩(wěn)定性。因此，如何在纖維電極上負(fù)載更多界面穩(wěn)定的電化學(xué)活性物質(zhì)，提高纖維狀超級電容器的比電容和機(jī)械穩(wěn)定性是當(dāng)前纖維狀可穿戴儲能設(shè)備研究的難點(diǎn)。

  針對這些問題，劉嵐教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計了一種具有表面褶皺的還原氧化石墨烯/海藻酸/聚吡咯（rGO/Alg/PPy）核殼結(jié)構(gòu)纖維電極。通過濕法紡絲工藝制備氧化石墨烯/海藻酸凝膠纖維，利用凝膠纖維吸附吡咯單體并原位聚合，成功在纖維表面引入聚吡咯褶皺結(jié)構(gòu)，不僅提高了纖維的比表面積和活性聚吡咯的負(fù)載量，且該過程中原位聚合形成的聚吡咯分子鏈與海藻酸分子鏈可形成有效的拓?fù)淅p結(jié)，從而大大增強(qiáng)了聚吡咯與內(nèi)部石墨烯纖維的界面結(jié)合。基于此，制備的rGO/Alg/PPy纖維電極不僅表現(xiàn)出26.20 F cm^-3的高體積比電容，且在 10A cm^-3 的高電流密度下，10,000 次充電/放電循環(huán)后，該纖維仍顯示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，電容保持率達(dá) 91.61%。組裝的對稱型纖維狀超級電容器（FSSC）在 180° 彎曲循環(huán) 2,000 次后也顯示出 83.45% 的電容保持率。本工作制備的纖維狀超級電容器兼具高比電容和高穩(wěn)定性，不僅對在纖維表面構(gòu)筑穩(wěn)定褶皺結(jié)構(gòu)具有很好的借鑒意義，在未來可穿戴能源設(shè)備方面也表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景。

圖1（a）rGO/Alg/PPy核殼纖維各階段合成過程示意圖。(b) 紡絲針頭和濕紡 GO/Alg 凝膠纖維的光學(xué)照片。（c）（Ⅰ）截面圖和（Ⅱ）凍干GO/Alg凝膠纖維邊緣的SEM圖。（d）（Ⅰ）截面圖和（Ⅱ）凍干GO/Alg/PPy凝膠纖維邊緣的SEM圖。（e）rGO/Alg/PPy核殼纖維的（Ⅰ）截面圖、（Ⅱ）放大截面圖和（Ⅲ）物理照片的SEM照片。(f) rGO/Alg/PPy核殼纖維表面的EDS面掃描圖：Ⅰ.原始SEM圖像；Ⅱ. C元素分布圖；Ⅲ. N元素分布圖；Ⅳ. S元素分布圖。 （g）（Ⅰ）純PPy和（Ⅱ）rGO/Alg/PPy核殼纖維的N 1s XPS光譜。(h) rGO/Alg/PPy 核殼纖維的 TG 和 DTG 曲線。

圖2 與吡咯單體反應(yīng)不同時間，得到的纖維的表面形貌。（分別與 Py 單體反應(yīng) 30、60 和 90 秒）。(a) 20G/30s、(b) 20G/60s 和 (c) 20G/90s 的表面SEM圖。(d) 20G/30s、(e) 20G/60s 和 (f) 20G/90s 的放大表面視圖。(g) 20G/30s、(h) 20G/60s 和 (i) 20G/90s 的橫截面圖。

圖3 rGO/Alg/PPy核殼纖維電極在液體電解質(zhì)中的電化學(xué)性能。(a) EIS 曲線，(b) 2 A cm^-3 電流密度下的 GCD 曲線和 (c) 不同 rGO/Alg/PPy 纖維在不同電流密度下的比電容。(d) 不同掃描速率下的 CV 曲線，(e) 不同電流密度下的 GCD 曲線和 (f) 20G/90s 纖維在 10 A cm^-3 下的循環(huán)穩(wěn)定性曲線。插圖顯示了最后 11 個循環(huán)中的 GCD 曲線。

圖 4 rGO/Alg/PPy纖維制備的FSSC在PVA/H2SO4凝膠電解質(zhì)中的電化學(xué)性能。(a) FSSC的示意圖。(b) 不同掃描速率下的 CV 曲線和(c) FSSC 不同電流密度下的GCD曲線。(d) FSSC在0.5 A cm^-3 下的充放電循環(huán)穩(wěn)定性曲線。插圖顯示了最后 11 個循環(huán)中的GCD曲線。(e) FSSC最終電容保持率與不同參考文獻(xiàn)的對比。(f) FSSC的Ragone圖及與不同參考文獻(xiàn)的對比。(g) FSSC在不同彎曲角度下掃描速率為 50 mV s^-1的數(shù)碼照片和穩(wěn)定性。(h) FSSC 在 2,000 次彎曲循環(huán)至180° 后的數(shù)碼照片和電容保持率（插圖是第1次和第2000 次循環(huán)的 CV 曲線）。(i)單個FSSC和三個串聯(lián)FSSC在相同電流密度下的GCD曲線。(j) 點(diǎn)亮LED燈泡的設(shè)備的光學(xué)照片。

  該工作以《High performance fiber-shaped supercapacitors based on core–shell fiber electrodes with adjustable surface wrinkles and robust interfaces》為題目發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》上，第一作者為華南理工大學(xué)碩士研究生石航，華南理工大學(xué)劉嵐教授及博士后陳松為該文章的共同通訊。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta04007c