邵元龙课题组AM：石墨烯诱导流变工程构筑高取向纤维电极

近年来，纤维状储能器件因为它优异的柔韧性以及与纺织品的良好兼容性，在可穿戴的能源领域受到了广泛的关注，其中水系锌离子电池因为其高效的离子传输动力学，低廉的价格以及高安全性，成为纤维状储能器件最为引人瞩目的电化学体系。然而，纤维电池的电化学性能严重受制于电极的制备手段，以往的研究常采用表面涂覆/原位生长活性材料的手段制备纤维电极，无法有效提升活性材料的负载量、纤维电极尺寸同时活性材料在电极表面的粘附力也相对较弱，导致在多次弯折变形后活性材料之间会产生有害的裂缝甚至发生脱落。湿法纺丝作为工业上制备纤维的成熟工艺技术之一，通过纺丝流体的双扩散凝固-流体剪切-应力牵伸等过程可实现多组分纤维电极连续制备。同时，纺丝流体的流变特性对纤维连续可纺性、纤维多级结构以及宏观性质有决定性作用。

这项工作中，邵元龙课题组仅通过少量添加的氧化石墨烯（GO）二维片层即实现了纳米线流体粘弹性的有效调控，显著提升流体可纺性，构筑了结构稳定、取向度显著提升的五氧化二钒（V₂O₅）纳米线/石墨烯复合纤维电极。具体来讲，氧化石墨烯片层通过熵驱动的排除体积效应，以及流体剪切作用增加了纺丝流体内V₂O₅纳米线的局部有序度，从而改变了宏观流体的结构粘度，构建的高度取向的纤维电极，实现了锌离子在纤维内部沿轴向的快速传输，在0.1 A g^-1的电流密度下实现了486.03 mAh g^-1的高电能存储，并结合Eco-flex封装材料成功组装了准固态纤维锌离子电池。

目前该工作以“Manipulating Hierarchical Orientation of Wet-spun Hybrid Fiber via Rheological Engineering for Zn-ion Fiber Battery”为题发表在Advanced Materials上。苏州大学博士生夏洲为第一作者，苏州大学邵元龙教授为通讯作者（现为北京大学材料科学与工程学院研究员）。

湿法纺制复合纤维电极

图1. 自供电纺织品中的锌离子纤维电池制备流程图

湿法纺丝制备纤维电极中，储能材料均匀的分散导电材料中，并且形成了紧密的包裹结构，构建了稳定的分层混合结构。在经过变形以及电化学循环后，对储能材料实现了强力的保护作用同时缓解了充放电过程中的体积膨胀效应。纤维电池独特的一维结构可以实现与织物的有机结合，表现出优异的透气性、穿着舒适性。

复合纺丝液的流变工程

图2. 石墨烯引入对纺丝流体的聚集态结构及流变特性调控

复合纺丝液的流变特性和液晶相结构影响了纳米材料纺丝液的可纺性，为了最大化提升纤维电极的V₂O₅的活性材料负载量，在静电屏蔽和熵效应的理论指导下，作者通过在V₂O₅的分散液中引入GO纳米片，实现高粘度与向列相液晶结构的有效匹配，有助于实现在活性材料的高负载量下构建高度有序的纤维结构。

复合纤维电极的取向结构优化

图3. 湿法纤维的微观分析

在纺丝过程中，将各向同性的V₂O₅/GO复合纺丝液推入密闭纺丝针中，增强的剪切力首先促使氧化石墨烯薄片沿着湿纺方向对齐。随后，定向GO薄片形成了大量的层状受限空间，进而引发了湿法纺丝纤维中V₂O₅纳米线的排列。作者对不同流变行为的纤维电极进行了纤维内部形貌观测和纤维取向结构测试。利用扫描电镜对V₂O₅纳米线在纤维内部的分布进行观测，发现在具有高粘度和向列相液晶相的10:1纺丝液V₂O₅纳米在纤维内具有最有序的分布。同时借助广角X射线散射测试，对纤维结构的宏观取向进行定量分析。10:1的纺丝液得到的复合纤维具有更好的取向结构。

准固态纤维电池性能表征及光充电集成

图4. 准固态纤维电池的弯折性能和集成的自充织物展示

得益于湿法纺制纤维的紧密结构和柔性，通过浸涂聚丙烯酰胺作为阻隔，Eco-flex作为封装制备得到准固态纤维锌离子电池，在经过反复弯折1000次后，电化学循环性能依旧保持在81.50%。通过集成高转换效率的GaAs太阳能电池，实现了可穿戴自充系统，整体的转换效率达到9.80%。

总结与展望

本文通过流变工程调控了湿法纺丝制备的纤维电极中的V₂O₅含量（~95.2%），结合纺丝液粘弹性和液晶行为的调节，实现了对湿纺杂化纤维分层取向的可控设计。

课题组介绍：

邵元龙，北京大学材料科学与工程学院助理教授（PI、博导、研究员），北京石墨烯研究院烯碳纤维材料课题组组长，海外高层次人才计划入选者，江苏省“双创人才”，姑苏青年领军人才。2019-2022年在苏州大学能源学院任特聘教授。2022年5月加入北京大学材料科学与工程学院。在Nat. Rev. Mater.，Chem. Rev., Nat. Commun., Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等期刊发表学术论文60余篇，总引用6000余次。主持国家自然科学基金，江苏省自然科学基金，苏州市重点产业技术创新项目，石墨烯再生羊毛企业横向等多个科研项目。研究方向主要聚焦在烯碳热管理纤维及特种应用。