研究人员用纤维形阴极设计电池原型

带有螺纹状阴极的电池原型。经许可转载，经美国化学学会版权所有 2023 许可转载。

在一项新的研究中，北卡罗来纳州立大学的研究人员将阴极或电池的正极端制成线状纤维的形状。然后，研究人员能够使用这种纤维来制造一种可以为手表提供动力的锌离子电池原型。

这项概念验证研究发表在ACS应用材料与界面杂志上，是最终可以集成到服装中的纤维形电池开发向前迈出的一步。

“最终，我们想制造一个纱线形电池，这样我们就可以把它放在一件真正的衣服里，最好把它藏起来，”该研究的通讯作者Wei Gao说，他是北卡罗来纳州立大学纺织工程，化学和科学副教授。“在这项研究中，我们创造了一个纱线形阴极。我们的发现对于如此短的纤维条非常有希望，我们希望继续这项工作，以提高我们设计的性能、安全性和机械性能。

为了制造阴极，研究人员利用石墨烯的独特特性 – 一种具有高表面积和良好导电性的强材料 – 制造了纱线形锌离子电池。

在他们的研究中，研究人员创造了各种形状和大小的不同二氧化锰微粒。然后，他们使用溶液纺丝工艺形成由氧化石墨烯制成的纤维，其中嵌入二氧化锰颗粒。他们研究了纤维的电化学和其他特性。

“由于我们试图制造纤维形状的锌离子电池，我们不仅关心电池性能，还关心机械性能 – 我们需要纤维坚固且灵活，”高说。

研究人员发现,他们用来制造阴极的氧化石墨烯和二氧化锰材料的形状会影响其电化学功能。具体来说,他们发现较短的棒状二氧化锰成分与石墨烯均匀混合,使研究人员能够制造出可以作为功能性电池原型运行的纤维。相比之下,他们发现,当二氧化锰具有”海胆”形状时,纤维不能用于功能性电池。

“当石墨烯和二氧化锰充分混合时，你可以使用纤维来制造功能性电池，”该研究的第一作者Nakarin Subjalearndee说，他是北卡罗来纳州立大学的前研究生。“如果二氧化锰的形状像海胆，这意味着阴极线表面粗糙，无法使用。

“棒状二氧化锰给了我们最好的性能，”高补充说。“这些颗粒模仿了纤维的配置或几何形状，与海胆形颗粒相比，海胆形颗粒是圆形的，有各种边缘。它们扰乱了纤维内氧化石墨烯纳米片的堆叠。

虽然电池的性能很低，但研究人员能够用它来为手表供电。该团队希望继续他们的工作，以提高设计的性能。

“这项研究表明，纤维中添加剂的形状和大小会影响氧化石墨烯的纤维形成过程，”高说。“我们希望继续开发这个系统;我们希望我们的设计能够与商用电池相媲美。

这项研究名为“使用不同MnO2添加剂的氧化石墨烯纤维的湿纺丝”，在线发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。合著者包括何南飞、Hui Cheng、Panpanat Tesatchabut、Priew Eiamlamai、Somruthai Phothiphiphit、Orapan Saensuk、Pimpa Limthongkul、Varol Intasanta和Xiangwu Zhang。这项工作得到了北卡罗来纳州威尔逊纺织学院的启动资金的支持;泰国国家纳米技术中心（NANOTEC）;泰国国家科技发展局（1751526）和能源创新计划;泰国国家科学技术发展局能源技术开发小组（项目编号822 PO2050291）

编者按:研究摘要如下：

Wet Spinning of Graphene Oxide Fibers with Different MnO₂ Additives

Authors: Nakarin Subjalearndee, Nanfei He, Hui Cheng, Panpanat Tesatchabut, Priew Eiamlamai, Somruthai Phothiphiphit, Orapan Saensuk, Pimpa Limthongkul, Varol Intasanta, Wei Gao and Xiangwu Zhang.

Published: April 5, 2023, ACS Applied Materials and Interfaces,

DOI: 10.1021/acsami.3c02989