柔性可穿戴电子产品以其独特的机械灵活性、高便携性和轻量化等特性，对现代生活方式产生了深远的影响。代表性应用包括智能腕带、可穿戴传感器、电子皮肤、智能纺织品和植入式医疗设备。传统的储能设备通常笨重僵硬，与可穿戴技术固有的灵活性和便携性要求不相容。
近日，武汉科技大学程濛&安柏瑞德航空大学江一舟团队在期刊《Journal of Energy Storage》上，发表了最新研究成果“3D-printed multi-stage helical continuous carbon fiber based supercapacitors with enhanced mechanical performance”。研究者报道了一种新型的同轴直写3D打印多级螺旋固态光纤超级电容器。通过将分层编织和原位同轴封装在坚固的聚合物基质中相结合，这种方法能够连续和可扩展地制造几何复杂的超级电容器。多级螺旋超级电容器(MH-SC)表现出优异的机械性能，在0.5 A g−1下提供302 F g−1的高比电容，在10.76 Wh kg−1的能量密度下提供206.6 W kg−1的功率密度，并在4000次充放电循环后保持初始容量的99.32%。值得注意的是，即使在故意磨损电极后，MH-SC仍保持了92%以上的容量，显示出出色的损伤容限和电化学稳定性。这项研究为光纤储能器件的集成结构、工艺和性能提供了一种通用的方法，为智能纺织品和可穿戴电子产品的实际应用铺平了道路。
图1：MH-SC的3D打印概述。
在输入端使用四根1k碳纤维作为衬底。最初，将碳纤维浸入含有活性碳的活性材料浆液中，使表面得到均匀的涂层。随后，在电解槽中通过UV-LED辅助工艺将凝胶电解质均匀地施加到碳纤维上。然后使用定制的编织机将涂覆的电极编织成多级螺旋结构。放大图突出显示了不同制造阶段的电极和横截面，以及从单个电极过渡到单位超级电容器(U-SC)，进而过渡到多级螺旋超级电容器(MH-SC)的示意图。这些多段螺旋编织电极通过程控同轴喷嘴分步送入。在印刷过程中，电极被硅胶以逐根灯丝的方式封装，形成了可以无缝集成到纺织结构中的密封超级电容器。同轴策略提供了均匀稳定的细丝形成，提高了涂层精度，并保持了纤维在硅胶基质中的集中定位。
图2：不同初丝数和编织密度编织纤维的力学性能分析。
随着编织密度的增加，纤维的结构更加致密和均匀，空洞减少，界面结合增强。可以观察到电解液涂层前后纤维之间的明显区别，其中涂层形成了均匀且连续的层。这种涂层提供机械保护并增强界面附着力，从而最大限度地减少拉伸测试过程中细丝之间的滑移。抗拉强度和断裂应变随着编织密度和丝数增加而增加，最高可达150转每米。超过这一点，这两个参数都会持平或略有下降，这表明虽然适度编织改善了界面结合和载荷转移，但过度编织可能会引入缺陷，抵消这些好处。这一趋势凸显了选择最佳编织水平以平衡强度和延展性的重要性。与未编织纤维相比，编织纤维的韧性显著提高。螺旋结构通过摩擦阻力促进能量耗散，延缓破坏。当编织密度达到150转每米时，韧性增长最为显著，超过该密度，可能会出现结构缺陷并影响性能。这些结果表明，精心控制的编织可以通过结合强度、塑性和韧性来提高编织纤维的机械弹性。
图3：有机硅密封流变性、细丝均匀度分析。
图3B表示振荡应力扫描。在线粘弹性区域内，储能模数(G‘)超过损耗模数(G“)。在900Pa处发生交叉，标志着从类固体行为向流动行为的转变。捕获和分析了数百幅图像，具有代表性的细丝示例如图3C所示。自动图像识别用于识别整个印刷长度上具有像素级分辨率的细丝边界，从而能够准确测量宽度波动和横截面几何形状。计算了所有样品的平均灯丝宽度和相应的均方误差(MSE)百分比，如图3D所示。其中，4丝束编织纤维的宽度偏差最小，均方误差为1.89%。相比之下，未编织的2丝束纤维的偏差最大，为10.32%。这相当于一致性提高了约4.46倍。在横截面方向上也观察到尺寸精度的改善。图3E显示了四种不同细丝的横截面，其边界用黄线突出显示。一个明显的趋势是更圆形的横截面形状，以及更集中的纤维在基质材料中的分布。一种类似的图像识别技术被用于量化横截面圆度。识别结果用正态分布图(图3F)显示，4丝束编织长丝的横截面圆度误差降至2.01%，而非编织2丝束长丝的横截面圆度误差最大，为5.25%。这意味着截面精度提高了161%。
图4：U-SC的电化学性能表现。
图5：MH-SC的电化学性能表现。
MH-SC的设计最终目标是将其实际应用于柔性可穿戴电子产品，实现高电化学性能和机械完整性，并在极端条件下运行，即使是磨损也是如此。如图5A所示，我们展示了MH-SC的电路原理图，说明了单电极磨损和双电极磨损状态下的电路配置。当没有磨损时，它们的作用就像两个并联的相同超级电容器。当单个正极被磨损时，该电极的磨损部分与其余三个未磨损的电极形成闭合电路，从而形成正负电极不匹配的不对称超级电容器。当正负电极都被磨损时，两个磨损的电极与两个未磨损的电极相互作用，形成一个比完整结构更弱、对称的超级电容器。这是因为即使在一个或两个电极被磨损的情况下，由于所有四个电极之间保持的电连接，被磨损的电极内的电化学活性材料仍然部分起作用。这些发现表明，我们的柔性电子设备在实际应用中即使在外部因素造成部分磨损损坏的情况下也能保持供电功能。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.est.2026.120354
人物简介：
程濛，武汉科技大学机械系副教授，硕士生导师。毕业于美国伊利诺伊大学芝加哥分校机械与工业工程学院。主要从事3D打印新能源材料的研究，目前主持国家自然科学基金青年项目与湖北省自然科学基金青年基金等项目，作为学术骨干参与美国自然科学基金2项。入选湖北省“楚天学子”引进人才计划，武汉市“武汉英才”青年人才。在Nature Sustainability、Nature Communications、Joule等期刊上发表SCI论文28篇，其中在Advanced Materials，Advanced Functional Materials等期刊上以第一作者发表高质量SCI期刊论文4篇。担任Advanced Energy Materials和AdvancedFunctional Materials等国际期刊审稿人。
