研究背景

随着可穿戴电子设备和智能服饰的飞速发展，人们对柔性电子储能器件的需求越来越大。由于能量密度高于传统电容器，功率密度大于锂电池，充放电速度快、循环寿命长、绿色无污染等优点，近年来超级电容器成为储能器件的研究热点。

相对于二维薄膜和三维块体材料，一维的纤维电容器，具有质量轻、体积小、可编织等优点，可以实现电子设备的便携性和灵活性，在新一代的柔性电子设备中具有巨大的应用潜力。

碳纳米管纤维是集成单个碳纳米管高强度、高导电性和导热性等性能的宏观组合体，已被广泛用作超级电容器电极材料，如YU等将碳纳米管纤维作为电极制备了柔性可拉伸的超级电容器电子器件。然而，双电层性质的碳材料仅仅是通过在电极表面和电解质之间电荷转移储存能量，极大地限制了其能量密度，通常与赝电容材料复合来加以改进。聚苯胺（PANI）因价格便宜、制备简单、高理论赝电容（750 F/g）和化学稳定性，被认为是极具发展潜力的导电聚合物，常被复合到碳材料中改善其电化学性能，如WANG等把PANI纳米线阵列原位沉积在碳纳米管纤维的表面上以形成CNT@ PANI复合纤维，获得38 mF/cm2的高比电容超级电容器。

创新点及解决的问题

通过低电压电泳沉积的方法在碳纳米管纤维（CNF）表面沉积多孔碳纳米管（CNTs），然后在其表面电化学沉积一层聚苯胺（PANI），得到CNTs@PANI三维多孔网络结构修饰的核-鞘型纤维电极材料。通过扫描电镜、透射电镜和拉曼光谱表征电极材料表面形貌和微观结构，并利用电化学工作站测试电化学性能，研究结果表明，沉积的多孔CNTs结构可以为PANI提供更多的氧化还原反应活性位点，而PANI也具有固定CNTs的作用，在电流密度为1 mA/cm2时，CNTs和PANI修饰的电极面积比电容达77.28 mF/cm2。以聚二甲基硅氧烷薄膜为基底、PVA-H3PO4为电解质制备的对称型固态柔性超级电容器在电流密度为0.25 mA/cm2时，面积比电容为61.25 mF/cm2，恒流充放电4000次后，电容值仍维持在80%，并且串联两个电容器可以点亮电压为1.8 V的LED灯泡。

重点内容导读 

1  实    验

1.1  实验材料

1.2  电极材料的制备

1.3  柔性固态超级电容器的制备

1.4  材料表征和性能测试

2  结果与讨论

2.1  纤维电极的微观形貌和结构

图1  不同纤维电极在不同放大倍数下的SEM图像：（a）纯CNF纤维（插图为放大图）；（b，c）CNF@CNTs纤维；（d，e，f）CNT@CNTs@PANI纤维

图2  CNTs/PANI复合物在不同倍数下的TEM图像

图3  不同电极材料的拉曼光谱图

2.2  纤维电极的电化学性能

图4  不同纤维电极的循环伏安曲线（a）、恒流充放电曲线（b）和倍率性能（c）

2.3  固态超级电容器的电化学性能

图5  不同纤维电极的奈奎斯特图，插图是高频范围

图6  CNT@CNTs@PANI固态超级电容器的循环伏安曲线（a）；恒流充放电曲线（b）和奈奎斯特图（c）
（插图是高频区）

图7  CNF@CNTs@PANI固态超级电容器的循环性能曲线