DOI: 10.1016/j.ensm.2022.03.011

可穿戴电子设备迫切需要机械增强纤维-超级电容器（FSCs）以适应频繁的严重变形。然而，由于凝胶聚合物的拉伸能力有限，目前使用凝胶电解质作为隔膜的可弯曲FSCs在剧烈折叠下很容易短路。在此，本研究首次通过原位静电纺丝聚丙烯腈（PAN）纳米纤维作为纤维电极隔膜，构建了一种耐折叠的同轴FSC，从而有效避免了高度局部拉伸、压缩和折叠状态下的短路风险。此外，这种“外延生长”的超薄（约1µm）PAN隔膜具有高孔隙率、良好的强度和与纤维电极的无缝接触，能够实现快速离子传输并降低FSCs的内阻。结合坚固的聚苯胺/碳纳米管（PANI/CNT）复合材料作为模型电极，本研究所制备的同轴对称FSC表现出优异的结构耐折叠性，且不存在电化学失效。令人惊讶的是，这种原位封装隔膜技术使多层PANI/CNT电极的串联或并联组装变得更加容易。组装的同轴集成串联或并联器件的体积与单个器件几乎相同，但输出电压或电容更高，同时保持了良好的可折叠性，拥有巨大的实用潜力。

图1.（a）在折叠和弯曲状态下，使用原位静电纺丝PAN纳米纤维作为隔膜并进行原位封装的同轴结构FSCs。（b）内层纤维静电纺丝与PAN纳米纤维隔板在折叠下的SEM图像，曲率半径几乎为零，褶皱明显。（c）不同折叠角度的FSC-1在20mV/s下的CV曲线。（d）经180°折叠不同循环后FSC-1在20mV/s下的CV曲线。

图2.（a）PAN@PANI/CNT纤维的制备过程示意图。（b-d）PANI/CNT纤维电极的SEM和（e）TEM图像。（f）PAN@PANI/CNT纤维的SEM图像。（g-i）具有不同厚度（0.4-4μm）PAN隔膜的PAN@PANI/CNT纤维的横截面SEM图像。（j）隔膜厚度约为1µm的PAN@PANI/CNT纤维的顶视SEM图像。（k-l）折叠PAN@PANI/CNT纤维的SEM图像。（m）涂有少量H2SO4/PVA电解质的PAN@PANI/CNT纤维在变形条件下的SEM图像。

图3.（a）FSCs的制备过程示意图。（b）20次循环后FSC-x（x=0,0.4,1,4）和FSC-NKK的奈奎斯特图，以及（c）在20mV/s下的CV曲线。（d）经180°折叠的不同FSCs在20mV/s下的CV曲线。（e）FSC-1在5-50mV/s不同扫描速率下的CV曲线。（f）FSC-1在不同电流密度下的比电容，插图显示了电流密度为5-50mA/cm2时的GCD曲线。（g）本工作所研制的FSC-1与先前报道的FSCs的Ragone图比较。

图4.（a）经不同角度折叠的FSC-1在不同电流密度下的比电容。（b）经180°折叠1000次循环后FSC-1的电容稳定性，插图显示了不同折叠循环后在5mA/cm2下的GCD曲线。（c）经180°折叠不同循环后FSC-1的奈奎斯特图。（d）内部PANI/CNT纤维电极表面原位静电纺丝PAN纳米纤维隔膜的方案模型。（e）通过在弯曲和折叠状态下为十个红色发光二极管（LED，1.8-2.0V）供电来展示FSC-1可弯曲性和可折叠性的照片。

图5.（a）并联和串联同轴集成器件的制造工艺示意图。（b）单个器件和并联同轴集成器件在10mV/s下的CV曲线。（c）不同折叠角度的并联同轴集成器件在10mV/s下的CV曲线。（d）单个器件和串联同轴集成器件在10mV/s下的CV曲线。（e）不同折叠角度的串联同轴集成器件在10mV/s下的CV曲线。（f）通过在折叠状态下为十个LEDs（3.0-3.3V）供电来展示同轴集成串联器件可折叠性的照片。