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在一项新的研究中，北卡罗莱纳州立大学的研究人员制作了一个阴极，或电池的正极，形状为线状纤维。然后，研究人员能够使用这种纤维制造出可以为手表供电的锌离子电池原型。
发表于期刊ACS应用材料与接口，这一概念验证研究是纤维状电池发展的又一步，这种电池最终可能被集成到服装中。
该研究的通讯作者说:“最终，我们想制造一种纱线形状的电池，这样我们就可以把它放在真正的衣服里，最好是藏起来。魏高他是北卡罗来纳州立大学纺织工程、化学和科学副教授。“在这项研究中，我们创造了一种纱线状的阴极。对于如此短的纤维条，我们的发现非常有希望，我们希望继续这项工作，以提高我们设计的性能、安全性和机械性能。”
为了制造阴极，研究人员利用石墨烯的独特特性——一种具有高表面积和良好导电性的强材料——来制造纱线状的锌离子电池。
在他们的研究中，研究人员创造了不同形状和大小的二氧化锰微粒。然后，他们使用溶液纺丝工艺形成由氧化石墨烯制成的纤维，其中嵌入二氧化锰颗粒。他们研究了这些纤维的电化学和其他特性。
高说:“由于我们正在尝试制造一种纤维状的锌离子电池，我们不仅关心电池的性能，还关心它的机械性能——我们需要纤维既坚固又灵活。”
研究人员发现，用于制造阴极的氧化石墨烯和二氧化锰材料的形状会影响其电化学功能。具体来说，他们发现较短的棒状二氧化锰成分与石墨烯混合均匀，使研究人员能够制造出一种可以作为功能电池原型的纤维。相比之下，他们发现，当二氧化锰具有“海胆”形状时，这种纤维就不能用于功能性电池。
“当石墨烯和二氧化锰混合得很好时，你可以用这种纤维来制造功能性电池，”该研究的第一作者、北卡罗来纳州立大学的前研究生纳卡林·萨帕尔伦迪(Nakarin Subjalearndee)说。“如果二氧化锰的形状像海胆，这意味着阴极线表面粗糙，无法使用。”
“棒状二氧化锰给了我们最好的性能，”高补充说。“与海胆形状的颗粒相比，这些颗粒模仿了纤维的结构或几何形状，海胆形状的颗粒是圆形的，各种边缘都指向外面。他们扰乱了氧化石墨烯纳米片在纤维中的堆叠。”
虽然电池的性能很低，但研究人员能够用它来给手表供电。该团队希望继续他们的工作，以提高设计的性能。
高说:“这项研究表明，纤维中添加剂的形状和大小影响了氧化石墨烯的纤维形成过程。”“我们希望继续开发这个系统;我们希望我们的设计能与商用电池相媲美。”
这项名为“含不同二氧化锰添加剂的氧化石墨烯纤维的湿纺”的研究发表在《科学》杂志的网站上ACS应用材料与接口。合著者包括Nanfei He、Hui Cheng、Panpanat Tesatchabut、Priew Eiamlamai、Somruthai Phothiphiphit、Orapan Saensuk、Pimpa Limthongkul、Varol Intasanta和Xiangwu Zhang。这项工作得到了北卡罗来纳州威尔逊纺织学院的启动资金支持;泰国国家纳米技术中心(NANOTEC);泰国国家科技发展局(1751526)和能源创新计划;国家科技发展署泰国能源技术发展小组(项目编号822 PO2050291)
-oleniacz -
给编辑的说明：研究摘要如下。
不同氧化石墨烯纤维的湿法纺丝MnO2添加剂
作者: Nakarin Subjalearndee, Nanfei He, Hui Cheng, Panpanat Tesatchabut, Priew Eiamlamai, Somruthai Phothiphiphit, Orapan Saensuk, Pimpa Limthongkul, Varol Intasanta, Wei Gao, Xiangwu Zhang。
发表2023年4月5日ACS应用材料与接口，
DOI: 10.1021 / acsami.3c02989
文摘:我们介绍了通过湿纺丝工艺制备氧化石墨烯(GO)和二氧化锰(MnO2)复合纤维，其中涉及二氧化锰微形貌和质量负载对氧化石墨烯/二氧化锰纺丝浆料的挤压性和所得到的复合纤维性能的影响。在不同的氧化剂和水热条件下，通过水热反应合成了不同尺寸的棒状和海胆状二氧化锰微粒。微粒形态和质量载荷对氧化石墨烯/二氧化锰混合物的挤压性能均有显著影响。此外，纤维内二氧化锰微粒的取向在很大程度上受其微观表面积的影响。通过化学或热处理，复合纤维具有导电性，然后用作锌离子电池原型中的纤维阴极。在氩气气氛下的热退火是避免化学处理中观察到的MnO2溶解和浸出的合适方法。这些氧化石墨烯/二氧化锰纤维阴极已组装成原型锌离子电池，以锌丝为阳极，黄原胶凝胶含有ZnSO4和MnSO4盐作为电解质。所得到的电化学输出取决于退火温度和MnO2在纤维阴极内的分布，而性能最好的纤维阴极在最大容量约80 mA h/g时表现出稳定的循环稳定性。
