3D打印结合静电纺丝制备全纤维集成电子器件

电化学超级电容器由于其高功率密度、优异的可逆性、大的比电容、低成本和长循环寿命而被广泛的应用于可穿戴电子设备。然而，低的能量密度限制了它们在许多领域的进一步发展。最近，纤维状非对称 (FASCs) 的出现已经大大解决了电化学超级电容器器件能量密度低的问题。然而，通过一种简单、低成本、高制作效率、可扩大化和复杂制作能力的方法制备FASCs仍然是一个挑战。。最近，有科研工作者基于石墨烯材料制造了3D打印的微型超级电容器，显示了优异的电化学性能。然而，大的平面结构限制了可穿戴能源存储器件的发展。因此，构建一个3D打印的纤维状可穿戴能源存储器件是很有必要的。

温度传感器(FTSs)是用来监测温度的变化来预防疾病的出现。可穿戴温度传感器能够实时监测人类健康相关的参数，它能够提供一些新的方法来管理人体的健康状况和性能，然而，它主要是基于平面结构，而纤维状结构很少被报道。此外，由于还原氧化石墨烯 (rGO) 能够调节带隙和活化能，因此能够作为高度敏感材料用于监测温度变化。因而，构建一个基于rGO的柔性、可穿戴、高灵敏度和轻质的 FTSs 是最优先考虑的。近年来，将能源产生、能源存储和能源转换一体化已经吸引了大量的关注。

近日，Advanced Science 期刊在线发表了中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所姚亚刚研究员以及天津大学鲁从华教授课题组关于 3D 打印纤维电极用作非对称超级电容器和温度传感器集成的全纤维集成电子器件。该工作的突出亮点在于通过 3D 打印墨水直写技术制备了纤维状集成电子器件。

研究者通过传统的静电纺丝结合3D打印分别制备了V2O5/SWCNTs复合纤维正极和VN/SWCNTs复合纤维负极材料。在FASCs器件中，最高比容量可以达到116.19mF/cm²，并且该器件具有良好的柔性。与此同时，由FASCs和FTSs组成的集成器件的温度灵敏度为1.95%/℃。

图1. FASCs 的制备过程和结构表征。(a)3D 打印 FASC 器件的制备过程示意图。(b)和(c) 打印过程中湿纤维的光学图片。(d)V2O5/SWCNT纤维的SEM图像。(e) 涂覆在纤维上的凝胶电解质的SEM图像。(f) 涂覆在纤维上的凝胶电解质的截面SEM图像。(g) 组装的 FASC 器件的SEM图像。(h) 初制备的V2O5和VN样品的XRD图谱。(i) 初制备的V2O5/SWCNTs和 VN/SWCNTs纤维的Raman光谱。(j) 初制备的V2O5/SWCNTs的XPS光谱。

图2. V2O5/SWCNTs和VN/SWCNTs浆墨水的流变性能。(a)和(b) V2O5/SWCNTs和VN/SWCNTs墨水的表观粘度和剪切速率的关系。(c)和(d) V2O5/SWCNTs和VN/SWCNTs墨水的存储模量，G′，和损耗模量，G″，与剪切应力的关系。(e)和(f) V2O5/SWCNTs和VN/SWCNTs墨水储存4周后的表观浓度和剪切速率的关系。

图3. 3D打印的FASC器件的组装。(a) 组装的FASCs结构示意图。(b) 组装的器件在不同电位窗口下的CV曲线。(c) 组装的FASCs器件在不同扫速下的CV 曲线。(d) 组装的FASCs在不同电流密度下的GCD曲线。

图4. 3D组装的3D打印FASC器件。(a) FASC器件的Ragone图谱 (功率密度 vs 能量密度)。(b) 循环稳定性。(c) FASCs器件在不同弯曲角度下的CV曲线。(d) 经过4000弯曲循环的电容保留率。

图5. 集成器件。(a)FASC器件/FTS集成器件的示意图。(b) 集成器件在30℃到80℃的 I-V曲线。(c) 集成器件的电阻与温度的关系。插图是ln(R)和1/T的关系。(d) 响应电阻与温度的关系。

作者首次应用3D打印技术快速地构建了一种3D打印的纤维状集成电子器件，该集成器件由打印的FTSs与打印的FASCs器件组成，并且FASCs能够给FTSs提高稳定的能量。在FASCs器件中，将V2O5/SWCNTs纤维正极和VN/SWCNTs纤维负极进行缠绕得到FASCs器件，在0.6mA/cm²的电流密度下，比电容可以达到116.19mF/cm²，并且该器件具有优异的机械柔性。与此同时，集成器件的温度灵敏度为1.95%/℃。因此，一个快速的、准确的、可量产的以及低成本的3D打印技术为柔性、可穿戴纤维状集成器件提供了新的机遇。

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