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    3D打印結合靜電紡絲制備全纖維集成電子器件

     
    發布日期:2018-10-23
     

    電化學超級電容器由于其高功率密度、優異的可逆性、大的比電容、低成本和長循環壽命而被廣泛的應用于可穿戴電子設備。然而,低的能量密度限制了它們在許多領域的進一步發展。最近,纖維狀非對稱 (FASCs) 的出現已經大大解決了電化學超級電容器器件能量密度低的問題。然而,通過一種簡單、低成本、高制作效率、可擴大化和復雜制作能力的方法制備FASCs仍然是一個挑戰。。最近,有科研工作者基于石墨烯材料制造了3D打印的微型超級電容器,顯示了優異的電化學性能。然而,大的平面結構限制了可穿戴能源存儲器件的發展。因此,構建一個3D打印的纖維狀可穿戴能源存儲器件是很有必要的。

          溫度傳感器(FTSs)是用來監測溫度的變化來預防疾病的出現??纱┐鳒囟葌鞲衅髂軌驅崟r監測人類健康相關的參數,它能夠提供一些新的方法來管理人體的健康狀況和性能,然而,它主要是基于平面結構,而纖維狀結構很少被報道。此外,由于還原氧化石墨烯 (rGO) 能夠調節帶隙和活化能,因此能夠作為高度敏感材料用于監測溫度變化。因而,構建一個基于rGO的柔性、可穿戴、高靈敏度和輕質的 FTSs 是最優先考慮的。近年來,將能源產生、能源存儲和能源轉換一體化已經吸引了大量的關注。

          近日,Advanced Science 期刊在線發表了中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所亞剛研究員以及天津大學魯從華教授課題組關于 3D 打印纖維電極用作非對稱超級電容器和溫度傳感器集成的全纖維集成電子器件。該工作的突出亮點在于通過 3D 打印墨水直寫技術制備了纖維狀集成電子器件。

    研究者通過傳統的靜電紡絲結合3D打印分別制備了V2O5/SWCNTs復合纖維正極和VN/SWCNTs復合纖維負極材料。在FASCs器件中,最高比容量可以達到116.19mF/cm2,并且該器件具有良好的柔性。與此同時,由FASCs和FTSs組成的集成器件的溫度靈敏度為1.95%/℃。


    圖1. FASCs 的制備過程和結構表征。(a)3D 打印 FASC 器件的制備過程示意圖。(b)和(c) 打印過程中濕纖維的光學圖片。(d)V2O5/SWCNT纖維的SEM圖像。(e) 涂覆在纖維上的凝膠電解質的SEM圖像。(f) 涂覆在纖維上的凝膠電解質的截面SEM圖像。(g) 組裝的 FASC 器件的SEM圖像。(h) 初制備的V2O5和VN樣品的XRD圖譜。(i) 初制備的V2O5/SWCNTs和 VN/SWCNTs纖維的Raman光譜。(j) 初制備的V2O5/SWCNTs的XPS光譜。


    圖2. V2O5/SWCNTs和VN/SWCNTs漿墨水的流變性能。(a)和(b) V2O5/SWCNTs和VN/SWCNTs墨水的表觀粘度和剪切速率的關系。(c)和(d) V2O5/SWCNTs和VN/SWCNTs墨水的存儲模量,G′,和損耗模量,G″,與剪切應力的關系。(e)和(f) V2O5/SWCNTs和VN/SWCNTs墨水儲存4周后的表觀濃度和剪切速率的關系。


    圖3. 3D打印的FASC器件的組裝。(a) 組裝的FASCs結構示意圖。(b) 組裝的器件在不同電位窗口下的CV曲線。(c) 組裝的FASCs器件在不同掃速下的CV 曲線。(d) 組裝的FASCs在不同電流密度下的GCD曲線。


    圖4. 3D組裝的3D打印FASC器件。(a) FASC器件的Ragone圖譜 (功率密度 vs 能量密度)。(b) 循環穩定性。(c) FASCs器件在不同彎曲角度下的CV曲線。(d) 經過4000彎曲循環的電容保留率。


    圖5. 集成器件。(a)FASC器件/FTS集成器件的示意圖。(b) 集成器件在30℃到80℃的 I-V曲線。(c) 集成器件的電阻與溫度的關系。插圖是ln(R)和1/T的關系。(d) 響應電阻與溫度的關系。

    作者首次應用3D打印技術快速地構建了一種3D打印的纖維狀集成電子器件,該集成器件由打印的FTSs與打印的FASCs器件組成,并且FASCs能夠給FTSs提高穩定的能量。在FASCs器件中,將V2O5/SWCNTs纖維正極和VN/SWCNTs纖維負極進行纏繞得到FASCs器件,在0.6mA/cm2的電流密度下,比電容可以達到116.19mF/cm2,并且該器件具有優異的機械柔性。與此同時,集成器件的溫度靈敏度為1.95%/℃。因此,一個快速的、準確的、可量產的以及低成本的3D打印技術為柔性、可穿戴纖維狀集成器件提供了新的機遇。

     
     
     

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