AMR Account｜悉尼大学陈元教授团队: 石墨烯基纤维超级电容器

近日，悉尼大学陈元教授团队在AMR 发表述评文章“Graphene-Based Fiber Supercapacitors”。翟圣利博士是文章的第一作者。文章总结了其课题组在石墨烯基纤维超级电容器的研究工作。着重介绍了石墨烯基纤维形成机理、电化学储能性能提升以及纤维器件的组装与集成策略，并总结了石墨烯基纤维超级电容器仍然面临的一些挑战与需求。

文章内容简介

智能可穿戴电子产品近年来得到了长足的发展，在功能与品类上极大地满足了人们的日常生活需求。相应的，需要高容量的的电源系统来满足长续航要求，同时如果这些电源具备机械柔性，那么能极大地提高穿戴体验。而一维纤维超级电容器被视为理想的供能系统。超级电容器具有独特的储能特性，包括高功率密度、长寿命、快速充电/放电、低成本、环保等。此外，一维纤维储能器件非常适合可穿戴电子设备，其具有优异的机械柔性，既可以作为微型设备补充甚至替代微型可穿戴电子设备中的微型电池，也可以通过集成（例如，编织成纺织品）的方法来驱动功耗高的可穿戴设备。

作为纤维储能器件的关键组件，一维电极需要具有高电导率、电容、良好的机械性能。石墨烯被视为能够解决上述需求的明星级材料。石墨烯由以二维蜂窝晶格纳米结构排列的单层原子组成。它具有约 2630 m²/g 的大比表面积，室温下约 10,000 cm²/(V·s) 的快速电子迁移率，以及高杨氏模量（约 1 TPa），550 F/g的理论电容。关键任务是将石墨烯的这些特性转移到由其组装成的一维电极中去。我们课题组尝试组装石墨烯基纤维可以追溯到 2014年，我们报道了一种水热组装技术来合成具有分级结构的还原氧化石墨烯/碳纳米管混合纤维。此后，我们开展了系统性工作，优化纤维组装技术，提高其电容储能性能和电导率，优化器件结构，探索大容量储能集成策略等。

文章重点介绍了作者团队的石墨烯基纤维超级电容器的研究。探讨了目前的纤维器件性能达到了什么水平，还存在什么问题，以及预测未来的发展方向。文章首先介绍了石墨烯基纤维的水热形成机理和对合成方法的进一步优化。文章强调了干燥过程对于石墨烯基纤维的多孔结构起关键作用，而孔结构对电容性能至关重要。接下来，文章重点介绍提高纤维电极储能能力和电导率的策略。最后，文章探讨了单体器件结构和多器件集成设计思路，以进一步提高石墨烯基纤维超级电容器的储能性能。同时，作者也详细讨论了未来在这些方面的研究还存在的障碍，并探讨了针对这些问题的可能解决方案。作者希望本文能够鼓励研究人员开发更高性能的石墨烯基纤维超级电容器，为商用可穿戴电子设备助力。

AMR：请问您选择该领域的初心是什么？

作者团队：

消费级可穿戴设备（如智能手环、手表、眼镜）越来越受大众欢迎。它们能够在我们的日常健康与运动监测中提供持续可靠的数据分析和指导。同时，专业的医疗级可穿戴设备（如智能血压计、心率、血氧检测仪等）已广泛部署于众多医疗机构，协助医生诊治患者。应用场景的拓展使得人们对可穿戴电子产品的兴趣与日俱增。维持可穿戴设备的功能需要可靠的供能系统，传统储能器件体积大且不具有柔性，限制了可穿戴设备的穿戴体验。因此，我们希望能够开发出柔性纤维储能器件来解决上述痛点。

AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

尽管石墨烯基纤维超级电容器在过去几年取得了快速进展，但其发展仍面临几个关键挑战。第一，其储能容量需要进一步提高以满足可穿戴设备长续航的需求。一方面可以引入新型高容量的赝电容材料，另外可以着眼于电容器/电池的混合器件设计，即集成一个电池电极与一个电容电极。第二，提高纤维储能器件在恶劣环境下的性能稳定性，比如低温，为此需要开发相应的耐低温电解液。第三，器件的多功能化是大势所向。石墨烯基电极除了储能外，还应该具备对外界刺激响应的能力，如温度，湿度。第四，纤维储能器件的终极目标是产业化，如何实现其规模化生产与组装需要更多的研究。

AMR：请问您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

可穿戴设备的研究工作需要多学科的互相融合，依赖不同领域的人才通力合作，从基础材料到器件设计的不断创新与持续优化方能推动柔性纤维储能器件的产业化。

作者简介

悉尼大学
教授 陈元

陈元，于清华大学获得学士学位；于耶鲁大学获得博士学位；2005-2015年任新加坡南洋理工大学助理教授、副教授；2015年起任澳大利亚悉尼大学教授。2016年获得澳大利亚科学委员会未来学者项目资助。2017年入选澳大利亚皇家化学会会士，2018年入选英国皇家化学会会士。2019年入选英国化学工程师协会会士。目前还担任国际期刊Carbon，Journal of Alloys and Compounds编辑，以及澳大利亚碳学会主席。主要研究方向是碳纳米材料的可控合成、组装和其在能源和环境方向的应用。

Graphene-Based Fiber Supercapacitors

Shengli Zhai* and Yuan Chen*

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.2c00087