东华大学《Carbon Energy》综述！：石墨烯纤维超级电容器储能过程的动力学研究-揭示机理、制造、特性控制和可穿戴应用

石墨烯纤维超级电容器（GFSCs）具有功率密度高、充放电速率快、循环耐久性长和编织能力强等优异特性，因而备受关注。然而，石墨烯纤维（GFs）固有的挑战，特别是受限的离子可进入比表面积（SSA）和迟缓的离子传输动力学，阻碍了实现最佳电容和速率性能。尽管已有关于 GFSCs 的综述，但在深入探讨支配 GFSCs 储能过程的动力学方面仍存在明显差距。

本综述，东华大学张坤研究员团队、加拿大滑铁卢大学Aiping Yu教授、复旦大学王兵杰 副研究员等在《Carbon》期刊发表名为“Kinetic investigation of the energy storage process in graphene fiber supercapacitors: Unraveling mechanisms, fabrications, property manipulation, and wearable applications”的综述，旨在通过深入分析 GFSCs 的储能机制、制造方法、特性操作和可穿戴应用来填补这一空白。通过对储能过程的理论分析，仔细总结了先进的 GF 制造方法中的特定参数，这些参数可用于调节纳米/微结构，从而增强储能动力学。特别是，通过创建更多离子可进入的 SSA 和引入额外电容元件，可实现增强离子存储，而通过缩短传输通道长度和改善电解质离子的可进入性，可实现加速离子传输。

基于已建立的结构-性能关系，本文总结了构建 GF 电极最佳表面和结构轮廓的几种关键策略。由于 GFSC 具有优异的柔韧性和耐磨性，本综述进一步强调了它们作为使用传统纺织技术构建多功能电子纺织品的基础元素的潜力。总之，本综述深入探讨了GFSC目前面临的挑战，并提出了潜在的研究方向。

图1、具有更强储能动力学性能的 GFSCs 的开发示意图，包括制造方法、结构-性能关系以及最佳表面和结构轮廓。

小结与展望 

石墨烯以其优异的导电性、高理论 SSA 和高理论比电容而闻名，人们对其在 GFSC 中的潜在用途进行了广泛的研究。自石墨烯被发现以来，人们一直把重点放在将石墨烯的优异特性转化为宏观纤维结构上。然而，由于石墨烯纳米片在强大的范德华力和π-π相互作用的驱动下会重新堆叠，因此 GFSCs 的储能动力学在实践中受到了限制。本综述深入探讨了 GFSCs 的能量存储，研究了能量存储机制、先进的 GF 制造方法和工艺参数调制，以及构建 GF 电极最佳表面和结构轮廓的关键策略。此外，还阐述了电极结构与储能动力学之间错综复杂的关系，这在决定 GFSCs 电化学性能方面起着至关重要的作用。简而言之，电解质离子存储主要取决于 GF 中离子可进入的 SSA 和电容外成分，它们是决定 GFSC 能量密度的关键因素。同时，速率能力依赖于电解质离子的快速传输，这可以通过缩短传输通道长度和促进电解质离子的可及性来实现。因此，高性能 GF 电极的设计理念主要包括以下几个重要方面：

1. 高导电性，实现快速电子传输；
2. 大的离子可及性 SSA，以及适合电解质离子传输和存储的孔径和分布；
3. 石墨烯与掺入材料之间的界面粘合力强，可实现高效的电子传输和离子传输；
4. 优异的机械性能，如柔韧性和拉伸强度，可在各种应用场景中实现稳定的性能。

值得注意的是，高性能 GF 电极的设计是一项综合性工作，需要均衡考虑上述各个方面。利用 GFSCs 的出色机械和电化学特性，人们已经成功地利用传统纺织品生产方法（包括编织、针织、编结、刺绣、十字绣等）将这些 GFSCs 集成到多功能电子纺织品中。尽管在设计具有增强离子传输和存储功能的 GFSCs 方面取得了显著进展，但在实现高性能 GFSCs 的实际应用方面仍存在一些挑战：

1. 三维分层多孔 GF 的合成过程要求一丝不苟，以确保质量和性能的一致性。当前的挑战包括精确控制孔径、分布和润湿性，以实现均匀的 GF 结构。此外，要提高三维分层多孔 GF 在商业产品中的适用性，开发大规模制造技术势在必行。
2. 对于混合 GFSCs 而言，石墨烯与伪电容材料之间的界面相互作用在电子传导和保护伪电容材料不脱离方面起着关键作用。现有的复合 GF 通常依靠物理吸附来集成伪电容材料，因此在反复充放电循环后容易出现结构崩溃。因此，需要共同努力加强复合 GF 的表面完整性。
3. 在涉及人体接触的场景中应用 GFSC 时，它们会受到机械应力、温度变化和湿度等因素的影响，从而缩短 GFSC 的使用寿命。当务之急是在大规模生产中采用有效的封装策略来缓解这一问题。这些策略旨在稳定 GFSC 的性能，尤其是在人体实际使用过程中遇到的动态和各种条件下。此外，优化封装材料的弹性、柔软度和透气性仍是一个持续的课题，以提高人体舒适度和可用性。
4. 大规模制造 GFSCs 需要在机器纺织过程中即使发生重大变形也能保持机械和电化学特性。为评估 GFs 是否适合大规模可穿戴应用而制定标准至关重要，其中包括机械强度、柔韧性、舒适性、透气性和耐用性等考虑因素。

尽管如此，随着 GFSCs 中电极结构与储能动力学之间的相关性日益明显，实验室示范与实际应用之间的差距已大大缩小。GFSCs 的未来发展方向包括应对现有挑战和推动技术更广泛的实际应用。下文提出并概述了一些关键趋势和发展领域：

I.提高整体性能：

将继续努力优先考虑如何提高 GFSCs 的能量密度、速率能力和长期稳定性，包括优化电极材料、创新电解质和精心设计结构配置。研究人员将继续提高 GFs 的质量和纯度，这可以通过改进合成工艺、选择优质原材料、引入表面改性和调节纺丝参数来实现。除了石墨烯，探索先进的电容材料也为制造性能全面提高的复合 GF 提供了广阔的前景。开发创新的复合模式和结构对于在石墨烯和其他成分之间建立稳健的界面相互作用至关重要。

GFSC 结构配置的设计对提高其性能和应用价值起着关键作用。通过优化 GF 的排列密度和取向，可以显著提高器件内的有效表面积和离子传输效率。精心设计的布局结构还能最大限度地减少内阻和电容损耗，从而提高整体性能。这种涵盖材料优化、电解质创新和结构设计的综合方法有望推动 GFSCs 向更高性能和更广泛应用场景发展。

II.可扩展制造：

要推动 GFSCs 的商业化，就必须大规模、稳定地生产高质量的 GF。为实现这一目标，研究工作将侧重于开发高性能 GF 的可扩展制造技术。湿法纺丝和微流体纺丝等现有技术将进一步优化，以提高生产效率、降低成本，并实现对 GF 形态和性能（甚至是一体化 GFSCs）更精细的控制。此外，我们还将重点探索新型制造技术，以生产出更长、更结实、电化学性能更优越的 GF。

此外，人工智能和机器学习等先进技术的整合也至关重要。这些技术可以实现智能化和自动化生产流程，提高生产效率和质量。智能算法可用于生产调度、优化工艺流程和预测设备故障。随着环境的可持续发展变得越来越重要，人们对开发更环保的制造流程也越来越感兴趣。

III.多功能和可穿戴性集成：

在串联和并联配置中集成多个 GFSC 是增强输出功率的常见做法。然而，在可穿戴电子织物方面，传统的导电连接线会对设备的整体灵活性和完整性构成挑战。为解决这一限制，鼓励研究人员探索专门针对可穿戴电子织物应用的新型集成方法，从而消除对导电线的需求。

这种多功能集成将使可穿戴设备能够执行更广泛的任务，增强用户体验和功能。材料科学家、工程师和时装设计师之间的协同合作对于充分发挥多功能和可穿戴集成 GFSC 的潜力至关重要。通过弥合技术与设计之间的差距，他们可以创造出创新而实用的解决方案，满足可穿戴技术市场的需求。

总之，GFSC 的未来必须以改善基本性能指标为特色，同时解决制造难题、探索新应用并确保环境的可持续发展。随着这些进展的展开，GFSCs 预计将在塑造储能技术格局方面发挥重要作用。

文献：https://doi.org/10.1002/cey2.625