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西安工程大學孫潤軍教授、董潔副教授團隊 ESM：1D纖維電極 - 開啟可穿戴設備新紀元，未來技術的前沿探索

2025-03-02 來源：高分子科技

隨著可穿戴電子設備的快速發展，傳統剛性電極在柔性、輕量化和生物兼容性方面的局限性日益凸顯。在此背景下，纖維電極憑借其獨特的結構優勢與多功能性，成為推動可穿戴技術革新的關鍵。近期發表于《Energy Storage Materials》的綜述文章《Application progress and challenges of 1D fiber electrodes in wearable devices》系統總結了該領域的研究進展，從材料設計、制備技術到實際應用，全面剖析了纖維電極的潛力與挑戰，為未來研究方向提供了重要參考。本文旨在為讀者提供該領域的全面概述。文章第一作者為西安工程大學博士生程文平，文章通訊作者為西安工程大學孫潤軍教授和董潔副教授。

纖維電極的結構優勢與技術潛力

纖維電極以一維線性結構為基礎，結合碳納米管、石墨烯等高導電材料的特性，展現出卓越的機械柔性與電化學性能。其輕量化設計不僅能夠無縫集成于紡織品中，還可適應人體動態活動中的反復拉伸與彎曲，顯著提升了穿戴舒適性。此外，纖維電極的多功能集成能力使其在能量存儲、傳感監測及生物醫學等領域展現出廣闊應用前景。例如，基于碳納米管的纖維超級電容器可編織為柔性“能源布料”，為智能衣物提供持續電力；而銀納米線修飾的纖維傳感器則能實時監測生理信號，推動個性化健康管理的發展。

圖1. 綜述了纖維電極的材料、制備工藝及其在實際工程中的應用前景。纖維電極覆蓋多種基礎科學和技術。

材料創新與制備技術的協同突破

纖維電極的性能高度依賴于材料選擇與制備工藝的優化。天然纖維如棉花和絲綢通過碳化或導電涂層改性，可在保留生物兼容性的同時實現導電功能，為低成本、可持續的電極材料提供了新思路。碳基材料（如石墨烯纖維）憑借高比表面積和快速離子傳輸路徑，成為高能量密度儲能設備的理想選擇。金屬材料雖具有優異的導電性，但其氧化問題與生物毒性仍需通過表面功能化或復合設計加以解決。在制備技術方面，化學氣相沉積（CVD）和電化學沉積（ED）能夠精確控制導電層的微觀結構，而濕法紡絲與3D打印技術則為大規模生產復雜結構的纖維電極提供了可能。然而，現有工藝在成本效率與規模化生產方面仍面臨瓶頸，未來需進一步開發綠色、低能耗的制造方法。

圖2. a)實驗設計示意圖：考察水熱溫度和時間對棉紗碳化、氧化石墨烯還原和RC紗電極儲能性能的影響；b)孔隙體積小于0.90 nm對CO捕獲能力和電化學電容至關重要；c)可注射腫瘤治療纖維裝置的工作機理、結構表征、電化學性能及細胞相容性：(1)注射入腫瘤過程示意圖。(2)光纖器件的工作機理，陰極上的ORR釋放羥基離子。(3)、(4)光纖陰極、陽極的SEM圖像；d) CNGF樣品制備工藝示意圖。

圖3. a) LM-TENG纖維結構；b) galinstan改性碳纖維（G-CFs）的制備；c)乳酸檢測效應的制備示意圖。

圖4. a) CoZn/N-CNFs的合成過程示意圖；b) f-CNTs/GSs和EP復合材料的制備過程示意圖。

圖5. a) TET纖維的制作工藝示意圖；b)整個電化學反應示意圖及h型電池組成和原理；c)采用鎳層雙氫氧化物（Ni-LDH）和原位鈷金屬有機骨架（Co-MOF/Ni-LDH@CF）結合雙連續環氧樹脂結構電解質兩步法制備的碳纖維電極結構超級電容器，并附有相應材料的電鏡圖像；d) (a) Ni3S2-NiGFs樣品制備和不對稱FSCs示意圖。

圖6. a) CVD法SnO₂顆粒生長示意圖；b)化學氣相沉積法CNTF纖維示意圖及CNT和CNTF的形成機理；c) PANI-ACF的制備工藝示意圖；d)利用功能化CFEs檢測單細胞DA的電化學傳感平臺示意圖。

應用場景：從實驗室到實際落地的跨越

在能量存儲領域，纖維電極已成功應用于柔性超級電容器和鋰金屬電池，其高功率密度與循環穩定性為可穿戴設備提供了可靠的能源解決方案。例如，石墨烯/鋅錳氧化物復合纖維電池在機械沖擊與清洗測試中表現出優異的耐久性，展現了其在智能紡織品中的實用價值。在健康監測方面，纖維電極通過集成傳感功能，可實時檢測人體運動、心率及代謝指標，甚至探索了在腫瘤電化學治療中的潛在應用。此外，基于摩擦納米發電機（TENG）的纖維電極能夠將人體機械能轉化為電能，為自供電系統的實現提供了新路徑。這些應用不僅拓展了可穿戴設備的功能邊界，也為醫療健康與物聯網技術帶來了革新機遇。

圖7.a) SACFSC制造工藝示意圖；b) (1) Ti?C?T?MXene溶液（MXene相）的制備工藝。(2)全纖維壓阻式壓力傳感器的制作原理圖。(3)傳感器透氣特性說明；c) ALD/c-li復合電極制作過程的數碼照片；d)復合材料V?O?@C中空纖維的密閉制備。

圖8. a)高強度氧化石墨烯/碳納米管- tpu混合纖維和紡織品的制造工藝示意圖；b)螺旋纖維的顯微和掃描電鏡圖像；c)電極合成策略；d) PAN-MFO柔性獨立式陽極結構設計示意圖；e) PDC@rGF纖維電極的制作及電極界面增強示意圖；f)光纖基固態超級電容電池制備原理圖。

圖9. a) cu /rGO器件模型示意圖；b)聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）/還原氧化石墨烯/聚磷酸酯（PEDOT:PSS/rGO/PPy，簡稱PGP）雜化纖維基柔性纖維形超級電容器（FSSC）的制備工藝；c) Sn-MOF@PAN-X和SCNP的制備示意圖；d) (1) G/Zn-MnO₂@SYBs與腈綸紗織成的能源超級織物示意圖。這種面料具有優異的耐洗性和抗錘性，還可以為手機充電。(2) G/Zn-MnO2@SYB的制備工藝示意圖。

圖10. a) (1) CCF/PDMS制備示意圖。(2)纖維素的化學結構。(3)、(4)棉纖維和CCF的FESEM圖像；b)網格制作流程示意圖；c)纖維電極的制作工藝；d)用于改善慢性神經記錄質量的PEDOT/SNP （MT）包覆電極示意圖。

圖11. a)(1)充電電路條件。(2)放電電路條件及LED照明。(3)控制無線通信電路的蓄電電路原理圖；b)(1)設置測量由聲音振動驅動的AAPNG的周期性輸出尖峰（音樂播放時LED亮起）。(2) AAPNG機構驅動電容存儲，使紅色LED和LCD顯示激活的原理圖。(3) AAPNG制備工藝圖；c)利用AANWs導電納米網絡制備的EC纖維結構示意圖；d)黑白電子墨水微膠囊顯示結構示意圖。

挑戰與未來研究方向

盡管纖維電極展現出顯著優勢，其實際應用仍面臨多重挑戰。動態使用環境下的機械-電化學穩定性問題亟待解決，導電網絡的斷裂與界面失效可能導致性能衰減。通過材料復合（如碳-聚合物雜化體系）與表面工程（如功能化涂層）優化電極結構，是提升耐久性的關鍵策略。此外，現有制備技術的高成本與低效率限制了規模化生產，開發基于可持續原料（如生物質衍生碳）的綠色工藝成為重要方向。在生物醫學領域，金屬納米材料的潛在毒性要求研究者進一步探索高生物兼容性材料（如導電水凝膠）的應用。未來研究需聚焦于多功能集成設計，例如將能量存儲、傳感與自供電功能融合于單一纖維體系中，同時推動跨學科合作以加速技術轉化。

纖維電極作為可穿戴設備領域的顛覆性技術，正逐步從實驗室研究走向實際應用。其在柔性電子、健康監測與綠色能源中的多維潛力，預示著一個高度集成化、智能化的可穿戴未來。然而，材料性能的優化、制備技術的革新以及生物安全性的提升仍是實現商業化落地的核心課題。隨著納米技術與制造工藝的持續進步，纖維電極有望引領下一代可穿戴設備的創新發展，為人類生活與健康管理帶來深遠影響。

本文內容基于《Energy Storage Materials》期刊綜述《Application progress and challenges of 1D fiber electrodes in wearable devices》，更多技術細節與數據請參閱原文。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104059

下載：Application progress and challenges of 1D fiber electrodes in wearable devices

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（責任編輯：xu）

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