柔性高速率储钾电极：多孔扭结网格结构碳纳米纤维薄膜的设计与制备

2. 具有多孔、扭结和缠结网络结构的纤维膜阳极具有较高的钾离子储存速率和稳定性。

从一维纤维到三维缠绕系统，许多因素都会影响柔韧性。单纤维的机械强度决定薄膜的机械强度。在纤维的高扭结度下，单纤维的外观更接近弹簧的外观，而纤维之间的接触点增加了纤维膜内的摩擦传递和扩散。最后，由三维无序光纤形成的纠缠网络进一步提高了整体灵活性。因此，我们从微观层面(即多孔结构)、中观层面(即扭结结构)和宏观层面(即纠缠网络)三个方面分析了柔性的来源。

首先，在微观层面上，作者研究了纤维内部的多孔结构，通常，在确定孔隙率时，材料的体积模量、剪切模量和弹性模量由方程式计算。在储能材料中，通过改变碳纳米纤维的孔隙率来提高其柔韧性在理论上是可行的，通过有限元分析，通过改变孔隙率，进一步模拟和计算了具有不同柔韧性的各向同性碳纳米纤维。在仿真实验中，将纤维简化为细长圆柱后，采用简化的悬臂梁模型进行分析。结果表明，孔隙率的增加降低了材料的剪切模量和体积模量，从而提高了材料的柔韧性。其次，受到弹簧的启发，作者探究了中观层面的扭曲结构。单根纤维的直径和卷曲系数直接影响纤维薄膜的柔韧性。在相同模量(E)和截面积(A)的纤维中，曲率半径越大，连接点之间的距离越短，纤维的扭结程度越高，表示纤维具有较高的柔韧性。在储能材料中，将细长的碳纳米纤维扭曲成一个完整的弹簧结构是非常困难的。因此，通过适当增加扭结数量或缩短扭结间距来增加纤维的柔韧性，而不影响其他物理性能，如电导率和电解质润湿性。在宏观上，纤维的无序交织形成缠结网络。当纠缠网络中接触点数目较大(即接近织物状态)时，材料的力学性能具有明显的滞后现象，说明织物类似物可以缓冲纤维薄膜在外载荷作用下的变形。

II 材料的合成与表征

为了进一步研究S/N-KCNFs的电化学性能，以钾箔为参比电极和负极，S/N-KCNFs为阳极，3 M KFSI为电解液，组装了半电池。首先，采用循环伏安法研究了S/N-KCNFs碳材料的电化学性能。这种优异的循环稳定性归因于纤维中的中孔和微孔的特殊孔隙分布，这有利于电解质的充分润湿和电极材料的体积膨胀。

图6. (a)在0.1-1.5 mV s⁻¹范围内，不同扫描速率下S/N-KCNFs的CV曲线；(b) S/N-KCNFs的CV曲线显示，在0.8 mV s⁻¹时，赝电容和扩散贡献；分析了不同扫描速率下S/N-KCNFs (c)和N-KCNFs (d)的电容和扩散控制电荷存储的相对贡献；(e) 电化学阻抗谱(EIS)(Nyquist图)和(f) 对应于循环前S/N-KCNFs、N-KCNFs和CNFs的ZIm和ω之间线性关系的斜率。

图7. (a) 混合电容器S/N-KCNFs//TAC向可穿戴柔性设备供电的示意图；(b) 数码照片显示，在折叠过程中(从0°弯曲到90°，然后折叠到180°，再次折叠，然后恢复)，袋式电池保持正常，为温度和湿度电子钟供电；(c) TAC在0.5-5.0 A g⁻¹电流密度下的速率能力；(d) S/N-KCNFs、TAC和S/N-KCNFs//TAC的CV曲线；(e) 功率密度为270 W Kg⁻¹的S/N-KCNFs//TAC100次循环下的能量密度和库仑效率；(f) 研究了S/N-KCNFs//TAC在4000次循环下10A g⁻¹恒流充放电的比容量和库仑效率。