柔性和可穿戴器件的發(fā)展在近年來(lái)的研究中受到了廣泛關(guān)注。但是，能源供給器件的多重挑戰(zhàn)卻嚴(yán)格限制了其發(fā)展。雖然柔性電池在材料方面的研究已經(jīng)不是新課題，也取得了相當(dāng)不錯(cuò)的研究成果，但是，材料的柔韌性仍然是限制柔性能源器件發(fā)展的重要因素，包括電極材料及導(dǎo)電基底在內(nèi)的柔性特質(zhì)都亟待提升。之前報(bào)道的柔性材料只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的彎折實(shí)驗(yàn)，若進(jìn)行類似于卷曲等復(fù)雜變形時(shí)，便顯得力不從心。另外一個(gè)就是柔性能源器件本身的能量?jī)?chǔ)存能力，大部分簡(jiǎn)單的柔性電池利用的僅僅是常規(guī)材料，這就嚴(yán)格限制了電池的儲(chǔ)存能力，也就嚴(yán)格限制了柔性可穿戴器件的發(fā)展。

相較于平面柔性器件的發(fā)展，一維線性柔性器件受到了越來(lái)越多的關(guān)注。這些線型儲(chǔ)能器件具有十分優(yōu)異的柔韌性，并且，得益于其可以作為線型材料被紡織進(jìn)布料內(nèi)，成為制備可穿戴器件的最佳候選。但是過(guò)去的研究仍然限制于其材料的儲(chǔ)能性能，提高其儲(chǔ)能能力是其未來(lái)發(fā)展的重中之重。

鋰硫電池被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮茉磧?chǔ)存裝置，雖然柔性鋰硫電池電極材料的研究正在如火如荼的進(jìn)行，但是真正作為柔性鋰硫電池的制備卻少之又少。作者利用定向排列的碳納米管纖維，結(jié)合介孔碳材料CMK-3，氧化石墨烯材料，制備了一種電纜式鋰硫電池。該電池兼具優(yōu)異的柔韌特性與良好的能量?jī)?chǔ)存能力，為制備可穿戴器件的發(fā)展奠定下了很好的理論研究基礎(chǔ)。

圖一 電纜式電極材料的形貌表征

該電極材料利用介孔碳材料CMK-3作為硫活性物質(zhì)的載體，利用熱熔法將硫完全浸潤(rùn)到CMK-3的介孔結(jié)構(gòu)中，為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)多硫化物的限域效應(yīng)，利用溶液法，在CMK-3@S復(fù)合材料表面，負(fù)載一層GO薄層，利用物理阻隔效應(yīng)防止多硫化物的流失。利用定向排列的碳納米管纖維作為上述材料的導(dǎo)電基體，實(shí)現(xiàn)其在碳納米管纖維薄層上的高效負(fù)載，并利用繞曲過(guò)程將碳納米管薄層“紡”成線狀電纜。得益于碳納米管纖維層的超輕性質(zhì)(1.4 μg cm-2)，該材料中硫的比例可以達(dá)到68%，該材料的密度分布在0.17–0.20 mg cm−1。該材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能，在0.1C的電流密度下，初次放電容量可以達(dá)到1051mAh g−1，循環(huán)100圈之后仍然有600 mAh g−1. 在1C的放電倍率下，循環(huán)200圈之后，其庫(kù)倫效率仍然高達(dá)99%。

圖二 電纜式鋰硫電池電極材料的電化學(xué)性能表征

作者以上述材料作為正極，鋰線作為負(fù)極構(gòu)建了電纜式鋰硫電池器件，開(kāi)路電壓可以達(dá)到3.2V，并且展現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌特性。該電池可以點(diǎn)亮觸發(fā)電壓為1.8V的LED燈，1.8mg的電極材料(10cm)可以持續(xù)點(diǎn)燃LED燈30分鐘。作者還將五根電纜式鋰硫電池器件紡織進(jìn)布料中，制備“儲(chǔ)能布料”。該電池兼具優(yōu)異的柔韌特性與良好的能量?jī)?chǔ)存能力，為制備可穿戴器件的發(fā)展奠定下了很好的理論研究基礎(chǔ)。

圖三 電纜式鋰硫電池器件展示

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