二维材料异质结纺织品的规模化生产用于高性能可穿戴超级电容器

研究背景

可穿戴电子设备在日常生活中实现了对人体健康的非侵入式监测，从而彻底改变了个性化医疗保健领域。然而，可穿戴电子纺织品 (通常称为电子纺织品)的全面应用在为这些设备供电的同时保持纺织品的基本特性(如柔韧性、耐久性、轻质、生物相容性和强度)方面面临着巨大挑战。对可穿戴电子设备日益增长的需求和对高效储能系统的需求推动了基于纺织品的可穿戴超级电容器领域的重大进展。这些与织物无缝集成的设备在为可穿戴电子设备、医疗保健监控系统和智能纺织品供电方面具有巨大潜力。然而，如何规模化生产兼具优异电化学性能和纺织品灵活性与舒适性的高性能超级电容器仍然是一个相当大的挑战。要克服这些挑战，迫切需要探索先进材料和创新设计方法，以提高可穿戴纺织品超级电容器的储能性能。

二维(2D)材料异质结构提供了一个引人注目的解决方案，通过将不同成分结合到单个终极结构中来提高能源性能。这些异质结由具有互补特性的二维材料堆叠而成，具有单个材料所不具备的增强特性。电化学电容器可将电能储存在电极表面电解质离子形成的电化学双层(EDL)中，或通过涉及电极材料表面区域的氧化还原反应(即假电容)储存电能。为了解决这个问题，制造基于二维材料的异质结构(结合了 EDLC 和假电容材料)变得至关重要，因为这样可以增加表面积，并增强卓越异质结构中的活性电化学位点。这种结构可通过近表面离子吸附和快速可逆法拉第反应的额外贡献实现能量存储，从而获得高能量和功率密度。因此，二维材料异质结构提供了一种多功能方法，可通过其独特的性能提高能量存储性能，从而开发出高效、高容量的电化学电容器。

研究成果

可穿戴电子纺织品(电子纺织品)已成为将电子设备无缝集成到日常生活中的一个前景广阔的平台，可实现对人体健康的非侵入式监测。然而，开发高效、灵活、可扩展的储能解决方案仍然是为此类设备供电的重大挑战。在此，利用基于二维(2D)材料的异质结构的独特性能来提高可穿戴纺织品超级电容器的性能，从而应对这一挑战。英国曼彻斯特大学Shaila Afroj & Nazmul Karim教授等人报告了一种通过微流体技术合成石墨烯和二硫化(MoS2) 的高度可扩展、可控制的方法。随后，采用一种超快和工业规模的分层沉积方法，使用垫干法制造出基于二维异质结构的纺织品，这些纺织品具有适合可穿戴电子纺织品应用的各种配置。对比分析表明基于二维材料异质结构的可穿戴纺织品超级电容器性能优越，具有出色的等面积电容(~105.08 mF cm-2)、高功率密度 (~1604.274 uWcm-2) 和能量密度 (~58.377 uWh cm-2)，以及出色的电容保持率(1000 次循环后~100%)。我们的研究结果凸显了基于二维材料的异质结构在应对可穿戴储能设备的性能和可扩展性挑战方面的关键作用，有助于大规模生产高性能可穿戴超级电容器。相关研究以“Scalable Production of 2D Material Heterostructure Textiles for High-Performance Wearable Supercapacitors”为题发表在ACS Nano期刊上。

图文导读

Figure 1. System overview of the 2D material heterostructure textile for supercapacitor applications.

Figure 2. Characterization of micro-fluidized 2D materials.

Figure 3. Characterization of the 2DM heterostructure based textiles.

Figure 4. MoS2-graphene bilayer coated textile supercapacitor.

Figure 5. Graphene-MoS2-graphene trilayer coated textile supercapacitor.

Figure 6. Performance of the 2DM heterostructure based textile supercapacitors.

Figure 7. Small-scale integration of 2DM heterostructure based textile supercapacitor.

总结与展望

在这项工作中，我们报告了通过微流体技术规模化生产石墨烯和 MoS2这两种非常有前途的二维材料的情况。考虑到二维材料在调整其电子特性方面的设计灵活性，作者报告了一种基于石墨烯和 MoS2异质结构的可穿戴电子织物超级电容器的制造方法。我们用石墨烯涂层纺织品、MoS2 涂层纺织品、MoS2-石墨烯双层涂层纺织品和石墨烯-MoS2-石墨烯三层纺织品制造了超级电容器。用石墨烯-MoS2-石墨烯三层织物电极制造的超级电容器在1 mVs-1的扫描速率下获得了最高的等效电容，为105.08 mF cm-2。能量密度和功率密度分别为 ~58.38 Wh cm-2和 ~1604.27 uW cm-2。虽然基于三层电极的超级电容器的能量密度最高，但基于MoS2石墨烯双层电极的超级电容器的功率密度最高。超级电容器在1000 个周期后显示出出色的电容保持率(~100%)。集成3个同样制造的超级电容器可为LED 供电。总之，这些出色的性能展示了二维材料异质结彻底改变电子纺织品，特别是能源存储领域的前景。该研究采用了工业上最著名的、高度可扩展的涂层方法，证明了所报道的制造工艺在大规模生产基于二维异质结构的可穿戴电子纺织品超级电容器方面的潜力。

文献链接

Scalable Production of 2D Material Heterostructure Textiles for High-Performance Wearable Supercapacitors

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c06181

转自：“i学术i科研”微信公众号

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