引言：近期，新能源储存技术在未来高端智能化的可穿戴设备行业（年产值280亿美元）备受关注。为满足可穿戴电子产品的供电需求，开发高能量密度的柔性超级电容器（FSCs）是当今新能源领域极具挑战性的课题之一。其中，二维（2D）硼纳米片因具有高于石墨烯四倍的理论比电容，成为超级电容器电极的首选材料。然而，其层间电导差、比表面积小和孔隙率低，严重制约电荷转移、离子扩散及存储过程，导致FSCs的能量密度难以进一步提高。因此，开发具有高孔隙率、大比表面积和高能量密度的新型二维硼基FSCs仍面临着挑战。
针对上述科学问题，南京工业大学材料化学工程国家重点实验室、化工学院陈苏教授、武观副教授等人，在国家自然科学基金的资助下，从设计硼纳米片有序纳微结构入手，以高效促进离子迁移、累积和电子传导为目标，利用微流体静电纺丝技术（微流体静电纺丝机由南京捷纳思新材料有限公司提供），制备各向异性的硼-碳异质纳米片（ABCNs）纤维织物电极，以该织物电极构筑的FSCs呈现出超高的储能性能（能量密度：167.05 mWh cm-3，体积比电容：534.5 F cm-3）。高电化学储能要点如下：1）各向异性硼-碳异质纳米片的设计。基于自下而上的气相剥离和缩合策略，块状硼间的B-B键被打开形成2D硼纳米片，同时，在2D硼片层间，通过引入B-C化学键，原位桥接氮掺杂碳纳米片，形成硼-碳双层异质纳米片。相比于块状硼粉低比表面积（0.032 m2 g-1）、紧密堆垛结构（0.018 cm3 g-1）和差电导（<1S m-1），ABCNs表现出大比表面积（163.2 m2 g-1），高孔隙率（0.36cm3 g-1）和导电性（1351 S m-1），可增强界面耦合提高电荷转移，以及提供丰富的通道和表面，高效促进离子动力学扩散和存储。2）微流体静电纺丝构筑高柔性纳米纤维织物电极。针对FSCs电极机械柔性差和难以大面积制备的难题，基于微流体静电纺丝法，通过调控纺丝液粘度、流速、通道尺寸等诸纺丝条件，构筑高机械柔性（断裂伸长率41.72%）和导电性能（15890 S m-1）的织物电极，为FSCs的可穿戴大形变供电应用提供了基础。基于以上优异特性，将FSCs与压力传感器集成到织物中，设计出可穿戴式储能-传感系统，该系统能实时稳定检测人体各种信号，例如手腕脉搏、心跳、手指、背部和颈部弯曲信号，为FSCs在可穿戴领域的实际应用提供新途径。该研究成果于近日发表在国际重要刊物《Angewandte Chemie International Edition》上。。论文的第一作者为硕士生吴天宇、博士生吴兴江。
图1. 微流体静电纺丝机（南京捷纳思新材料有限公司提供）。
图2. (a)合成ABCNs的原理图；(b)块状硼的SEM图；(c)硼纳米片的SEM图；(d)ABCNs的SEM图；(e-g)ABCNs在低倍与高倍下的TEM图；(h-j)ABCNs的EDSmapping图。
图3. (a) 微流控静电纺丝制备ABCNs纳米复合纤维膜的示意图；(b) 不同ABCNs浓度下制备的纳米复合纤维膜的SEM图（10, 12, 15, 18 wt%.）；(c) ABCNs浓度与纤维直径、导电性以及断裂伸长率的关系。
图4. (a) 块状硼、硼纳米片及ABCNs超级电容器在扫描速率为500 mV/s下的CV曲线图；(b) 块状硼、硼纳米片及ABCNs超级电容器在电流密度为0.1 A cm-3下的恒电流充放电曲线图；(c) 块状硼、硼纳米片及ABCNs超级电容器在不同电流密度下的体积比电容；(d) 块状硼、硼纳米片及ABCNs超级电容器的EIS光谱图；(e)ABCNs超级电容器在扫描速率为50 mV/s下的循环稳定性；(f)ABCNs超级电容器与前人工作的能量密度及功率密度对比；(g) ABCNs超级电容器在电流密度为0.6 A cm-3下的弯曲稳定性；(h) ABCNs超级电容器在扫描速率为100 mV/s下的折叠和扭曲状态下的CV曲线图；(i) ABCNs超级电容器在串并联状态下的恒电流充放电图。
图5. (a)可穿戴储能-传感系统原理图；(b)可穿戴储能-传感系统测试的运动前后脉搏跳动曲线；(c)可穿戴储能-传感系统测试的心脏跳动曲线；(d)自供能模型原理图；(e)自供能电梯装置。
图6. (a)柔性超级电容器的结构原理图。(b)块状硼、硼纳米片及ABCNs超级电容器的电容及能量密度对比。(c) ABCNs超级电容器的能量密度与其他二维材料能量密度的对比。(d)三种不同结构电极的电荷转移及离子储存。
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