湖南大学陈旭丽：分层芯鞘结构的PANIN-CNT@CNT纤维，高性能可穿戴超级电容器

湖南大学陈旭丽教授团队设计了一种具有分层芯鞘结构的PANI/N-CNT@CNT纤维，用于高性能可穿戴超级电容器，通过材料协同作用显著提升了储能性能、倍率性能、循环稳定性及机械柔韧性。研究背景与挑战纤维超级电容器的储能性能受限于电荷转移不足和活性材料负载缺陷，导致倍率性能和循环稳定性较差。传统结构难以同时满足高比电容、快速充放电及长期循环需求。图：PANI/N-CNT@CNT纤维的分层芯鞘结构，从内到外依次为高度对齐的CNT纤维、多孔N-CNT层及PANI沉积层。材料设计与结构优势芯层（CNT纤维）：高度排列的CNT纤维提供独立灵活性和电子快速转移通道，作为结构骨架支撑整体纤维。初级鞘层（N-CNT）：通过在CNT纤维上生长氮掺杂碳纳米管（N-CNT），形成多孔框架结构。多孔特性显著促进电子和离子转移，同时为次级鞘层提供高负载容量和均匀沉积表面。次级鞘层（PANI）：聚苯胺（PANI）作为高比电容活性材料，通过与N-CNT的强相互作用（如氮掺杂位点与PANI的π-π共轭）均匀沉积，避免团聚，提升材料利用率。性能表现高比电容与倍率性能：在1 A g?1电流密度下，比电容达323.8 F g?1；在50 A g?1高电流密度下，仍保持221.3 F g?1，容量保留率68.4%，表明优异的快速充放电能力。循环稳定性：在20 A g?1下经过10,000次充放电循环后，电容保留率达92.1%，远超传统纤维电极（通常循环寿命低于5,000次）。机械柔韧性：重复弯曲10,000次后，电容仅衰减4.5%，保留率95.5%，满足可穿戴设备对弯曲耐久性的严苛要求。图：PANI/N-CNT@CNT纤维与其他文献报道的纤维电极在比电容（左）和循环稳定性（右）上的对比，突出其性能优势。协同作用机制电子转移：CNT纤维和N-CNT的导电网络提供低阻抗路径，加速电子传输；离子扩散：N-CNT的多孔结构增大电解液接触面积，缩短离子扩散距离；结构稳定性：PANI与N-CNT的强相互作用防止活性材料脱落，多孔框架缓冲体积变化，提升循环寿命；机械强化：分层结构分散应力，避免单一材料在弯曲时断裂，增强柔韧性。应用前景与论文信息该研究为可穿戴设备（如智能服装、柔性电子皮肤）提供了高性能纤维电极的解决方案，兼顾储能与机械适应性。相关成果发表于《Journal of Materials Chemistry A》，通讯作者为湖南大学陈旭丽教授，论文标题为High-performance wearable supercapacitors based on PANI/N-CNT@CNT fiber with a designed hierarchical core-sheath structure。参考文献：DOI:10.1039/D1TA03663G