近日，中科院苏州纳米所邸江涛团队与佐治亚理工学院Ching-ping Wong教授合作设计并制备了锌掺杂氧化铜纳米线（Zn-CuO）三维阵列结构，为电化学活性物质MnO2提供导电支架，获得高负载的MnO2纳米片材料。将生长在铜线表面的Zn-CuO@MnO2材料用于同轴非对称纤维状超级电容器正极材料，获得了高的比容量及宽的工作电压窗口。
研究背景
近二十年来, 便携式可穿戴电子设备迅猛发展, 中国、美国、日本、欧盟成员国等均将发展可穿戴设备列为国家重大战略之一。
这类产品的常规目标为可直接穿戴或贴附在人体上；同时, 与可穿戴设备相匹配的电源系统则需具备小尺寸、柔韧性和良好的人体表面适应性等特征，以满足基本的舒适性和必要的强度。同轴非对称纤维状器件*具有体积小、便携、工作窗口大等优势，被认为在未来柔性可穿戴及微型的电子器件领域具有广阔的应用前景。
然而目前同轴非对称纤维器件仍然存在能量密度低，电极材料及结构设计的局限性等问题限制其进一步应用。二氧化锰由于其高的理论容量、低成本、低毒性和环境友好等特性被认为是优异的电化学活性材料。然而二氧化锰材料低的导电性和易于团聚的问题导致了其有限的比容量和功率密度。
为了解决以上问题，中科院苏州纳米所李清文研究员团队与佐治亚理工学院Ching-ping Wong教授团队合作设计并制备了Zn-CuO@MnO2纳米线阵列电极。并使用Zn0.11CuO@MnO2作为核-壳结构的核电极正极，生长在碳纳米管薄膜上的VN纳米线阵列作为负极包覆在核电极表面组装同轴非对称超级电容器。
相关成果以“Atomic Modulation 3D Conductive Frameworks Boosts Performance of MnO2 for Coaxial Fiber-Shaped Supercapacitors”为题发表在期刊《Nano-Micro Letters》。论文第一作者为苏州纳米所助理研究员王晓娜博士，通讯作者为纳米所的邸江涛研究员和李清文研究员以及佐治亚理工学院的Ching-ping Wong教授。
*纤维状器件：纤维状器件（或称纤维型器件）指通过材料学工艺在电池、光电、传感器等原件上实现纤维形态的元器件（后续示意图上可清楚看出其形态特点），与块状和薄膜器件相比，纤维状电子器件可以紧粘在不规则基底上、可适应扭曲和拉伸等复杂形变、透气导湿等独特性能。
制备方法
在制备方法上，团队采用一步法在铜线表面实现Zn-CuO纳米线的原位生长，为MnO2提供导电支架和沉积基底；Zn掺杂进入CuO晶格提高了CuO的导电性，改进了MnO2纳米片在电化学反应过程中与导电基底之间有效的电子传输。同时，与其他导电支架比较，Zn-CuO纳米线也为复合电极贡献了部分容量。通过掺杂不同含量的Zn，最后获得导电性和比容量最佳的Zn0.11CuO纳米线材料。它能够负载MnO2的质量高达12.4 mg/cm2，使得电极也获得了高的面积比容量（4.26 F/cm2）。
图(a-f)为同轴非对称超级电容器制备示意流程；
图(g)为同轴非对称超级电容器截面示意流程。
形貌观察与测试
团队制备得到的同轴非对称器件的工作电压能够达到1.8 V，比容量为296.6 mF/cm2，能量密度为133.5 mWh/cm2（功率密度为0.9 mW/cm2)。值得关注的是，与其他同轴非对称超级电容器比较，本工作中制备的器件的能量密度和功率密度明显优于其他同类器件。
为了进一步验证其在可穿戴柔性器件领域的应用，研究团队同样考察了同轴非对称超级电容器在不同弯曲条件下的电化学稳定性。结果显示在不同的弯曲条件下，器件充放电曲线没有明显变化，说明其在外力形变状态下，具有较好的电化学稳定性及循环稳定性。同时这种同轴非对称超级电容器也能点亮一个2V的LED小灯泡并能维持60秒。
图(a-f)：CuO纳米线阵列（a-c）及MnO2纳米线阵列（d-f）SEM形貌像；
图(g)：Zn-CuO@MnO2核-壳结构纳米线阵列电极的TEM形貌像及四种元素的X射线元素映射像；
图(h)：Zn-CuO@MnO2的X射线荧光谱。
图(a、b)：四种Zn-CuO@MnO2材料的电极电化学充放电曲线及比容量与压降图；
图(c)：MnO2负载量与沉积时间的关系；
图(d、e)：电极在不同MnO2负载量时面积和质量比容量的关系;
图(f)：Zn0.11CuO@MnO2电极循环稳定性测试。
图(a):同轴非对称超级电容器在不同弯曲状态下的光学图片；
图(b)：在1-3弯曲状态下，同轴非对称超级电容器的充放电曲线；
图(c)：在90度弯曲状态下，器件的充放电循环测试；
图(d)：60秒过程中，LED灯泡逐渐熄灭。
前景展望
本项工作中的高性能纤维状储能器件, 有效拓展了各类柔性纤维电化学储能器件, 一些初步的应用测试展示了纤维状储能器件在柔性可穿戴领域的发展的进一步可能性。当然，实现纤维器件的构建, 在工程技术上依然存在一些难题。期待更进一步的研究能将成果放大并实现其在可穿戴和生物医学电子领域的应用。相信纤维状储能器件将成为能源、化学、物理、材料科学、生物医学和工程等各领域的主流方向。
团队简介
邸江涛现为中国科学院苏州纳米所研究员、博士生导师，从事纳米碳材料研究。发明了碳纳米管纤维瞬时共价键合技术，解决了长期存在的管间滑移严重的问题，大幅度地提升了纤维的力学性能及极端环境耐受性。获得中科院人才、省双创、省333工程、金鸡湖人才等支持，任九三学社苏州青工委委员、所学位会委员、第一届中国复合材料学会智能复合材料专业委员会委员等。目前承担国家自然科学基金、中科院项目等项目，已在Science, Adv. Mater., ACS Nano, Small等期刊上发表论文40余篇，申请十余项专利。
论文全文链接：
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00529-8
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