引言：近期，新能源儲存技術(shù)在未來高端智能化的可穿戴設備行業(yè)（年產(chǎn)值280億美元）備受關注。為滿足可穿戴電子產(chǎn)品的供電需求，開發(fā)高能量密度的柔性超級電容器（FSCs）是當今新能源領域極具挑戰(zhàn)性的課題之一。其中，二維（2D）硼納米片因具有高于石墨烯四倍的理論比電容，成為超級電容器電極的首選材料。然而，其層間電導差、比表面積小和孔隙率低，嚴重制約電荷轉(zhuǎn)移、離子擴散及存儲過程，導致FSCs的能量密度難以進一步提高。因此，開發(fā)具有高孔隙率、大比表面積和高能量密度的新型二維硼基FSCs仍面臨著挑戰(zhàn)。
針對上述科學問題，南京工業(yè)大學材料化學工程國家重點實驗室、化工學院陳蘇教授、武觀副教授等人，在國家自然科學基金的資助下，從設計硼納米片有序納微結(jié)構(gòu)入手，以高效促進離子遷移、累積和電子傳導為目標，利用微流體靜電紡絲技術(shù)（微流體靜電紡絲機由南京捷納思新材料有限公司提供），制備各向異性的硼-碳異質(zhì)納米片（ABCNs）纖維織物電極，以該織物電極構(gòu)筑的FSCs呈現(xiàn)出超高的儲能性能（能量密度：167.05 mWh cm-3，體積比電容：534.5 F cm-3）。高電化學儲能要點如下：1）各向異性硼-碳異質(zhì)納米片的設計。基于自下而上的氣相剝離和縮合策略，塊狀硼間的B-B鍵被打開形成2D硼納米片，同時，在2D硼片層間，通過引入B-C化學鍵，原位橋接氮摻雜碳納米片，形成硼-碳雙層異質(zhì)納米片。相比于塊狀硼粉低比表面積（0.032 m2?g-1）、緊密堆垛結(jié)構(gòu)（0.018 cm3?g-1）和差電導（<1S m-1），ABCNs表現(xiàn)出大比表面積（163.2 m2?g-1），高孔隙率（0.36cm3?g-1）和導電性（1351 S m-1），可增強界面耦合提高電荷轉(zhuǎn)移，以及提供豐富的通道和表面，高效促進離子動力學擴散和存儲。2）微流體靜電紡絲構(gòu)筑高柔性納米纖維織物電極。針對FSCs電極機械柔性差和難以大面積制備的難題，基于微流體靜電紡絲法，通過調(diào)控紡絲液粘度、流速、通道尺寸等諸紡絲條件，構(gòu)筑高機械柔性（斷裂伸長率41.72%）和導電性能（15890 S m-1）的織物電極，為FSCs的可穿戴大形變供電應用提供了基礎。基于以上優(yōu)異特性，將FSCs與壓力傳感器集成到織物中，設計出可穿戴式儲能-傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時穩(wěn)定檢測人體各種信號，例如手腕脈搏、心跳、手指、背部和頸部彎曲信號，為FSCs在可穿戴領域的實際應用提供新途徑。該研究成果于近日發(fā)表在國際重要刊物《Angewandte Chemie International Edition》上。。論文的第一作者為碩士生吳天宇、博士生吳興江。
圖1. 微流體靜電紡絲機（南京捷納思新材料有限公司提供）。
圖2. (a)合成ABCNs的原理圖；(b)塊狀硼的SEM圖；(c)硼納米片的SEM圖；(d)ABCNs的SEM圖；(e-g)ABCNs在低倍與高倍下的TEM圖；(h-j)ABCNs的EDSmapping圖。
圖3. (a) 微流控靜電紡絲制備ABCNs納米復合纖維膜的示意圖；(b) 不同ABCNs濃度下制備的納米復合纖維膜的SEM圖（10, 12, 15, 18 wt%.）；(c) ABCNs濃度與纖維直徑、導電性以及斷裂伸長率的關系。
圖4. (a) 塊狀硼、硼納米片及ABCNs超級電容器在掃描速率為500 mV/s下的CV曲線圖；(b) 塊狀硼、硼納米片及ABCNs超級電容器在電流密度為0.1 A cm-3下的恒電流充放電曲線圖；(c) 塊狀硼、硼納米片及ABCNs超級電容器在不同電流密度下的體積比電容；(d) 塊狀硼、硼納米片及ABCNs超級電容器的EIS光譜圖；(e)ABCNs超級電容器在掃描速率為50 mV/s下的循環(huán)穩(wěn)定性；(f)ABCNs超級電容器與前人工作的能量密度及功率密度對比；(g) ABCNs超級電容器在電流密度為0.6 A cm-3下的彎曲穩(wěn)定性；(h) ABCNs超級電容器在掃描速率為100 mV/s下的折疊和扭曲狀態(tài)下的CV曲線圖；(i) ABCNs超級電容器在串并聯(lián)狀態(tài)下的恒電流充放電圖。
圖5. (a)可穿戴儲能-傳感系統(tǒng)原理圖；(b)可穿戴儲能-傳感系統(tǒng)測試的運動前后脈搏跳動曲線；(c)可穿戴儲能-傳感系統(tǒng)測試的心臟跳動曲線；(d)自供能模型原理圖；(e)自供能電梯裝置。
圖6. (a)柔性超級電容器的結(jié)構(gòu)原理圖。(b)塊狀硼、硼納米片及ABCNs超級電容器的電容及能量密度對比。(c) ABCNs超級電容器的能量密度與其他二維材料能量密度的對比。(d)三種不同結(jié)構(gòu)電極的電荷轉(zhuǎn)移及離子儲存。
參考文獻：
Anisotropic Boron-Carbon Hetero-Nanosheets for Ultrahigh Energy Density Supercapacitors, Angew.Chem. Int. Ed., 2020, DOI：10.1002/anie.202011523
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