溶液纺丝制备导电聚合物复合纤维及其可编织能源器件

The consumer electronics is becoming more and more miniature and portable. With fabricas a carrier, the electronic device and fabric can be integrated, i.e., wearable electronic devices, which is one of the most attractive prospects for conductive and optoelectronic materials. Since most of those functional materials are insoluble and unmeltable, it is hard to make the functional material fiber and the device by using the traditional polymer spinning technology. In this project, we propose to develop the spinning technology of functional carbon materials, polymer materials and even the cospinning methods of different functional materials for multifunctional fibers. The electrical properties, photoelectric performance and energy storage performance of the fibers will be optimized then. Though exploring the mechanism of defects formation and fracture in the fibers, finding the internal energy transfer and charge transfer law in the devices we will provide a theoretical basis to acquire high efficient fibrous energy converters and energy storage systems. With integrating of different functional fiber devices and good matching of the energy transfer and substance transferring between different functional units, such as solar cells，lithium ion batteries and supercapacitors, the large area, weaving, high energy conversion efficiency and storage density composite functional devices will be realized.

柔性、便携化是电子设备未来发展的重要趋势。以织物作为载体，将电子器件与织物进行有机集成，进而制备可穿戴的电子器件是导电/光电功能材料最诱人的前景之一。由于大多数的功能材料难溶，难熔，因而传统聚合物纺丝技术难以用于功能材料纤维的纺制和功能化、器件化。本项目拟从功能碳材料和导电聚合物材料的纺丝工艺入手，建立不同功能材料的纺丝和共纺方法，进而实现复合功能纤维的制备；并对其力学性能、电学性能、光电性能以及储能性能进行优化。揭示功能纤维中缺陷态的形成和断裂机制，寻找器件内部的能量传输和电荷传递规律，为获得高效率的纤维状能量转化及储能器件提供理论依据。最后通过不同功能的纤维器件的集成，以及各个单元（如太阳能电池，锂离子电池和超级电容）之间的能量传递和物质传递的有效匹配，来实现大面积、可编织、具有较高的能量转化效率以及存储密度的功能集成器件。

柔性储能器件是可穿戴设备的重要组成部分，需要在弯折、变形等状态下依然保持优异的性能。本项目围绕柔性锂电池电极材料的可控合成和柔性器件结构设计开展了系统研究，在聚合物柔性正极材料、全柔性电池组装和高性能柔性锂-硫电池方面取得了创新性研究结果，并探索了柔性电池在集成化柔性电子器件中的应用前景。.主要学术成绩和创新点包括以下三个方面：.（1）有机电极材料的制备及其在柔性锂离子电池中的应用.本项目设计合成具有本征柔性的聚酰亚胺类复合材料和聚柱[5]醌材料等作为正极材料，通过简单的擀压方式与碳纳米管网络结合，制备了大面积的聚合物柔性电极，具有高容量和优异的倍率性能，网络结构也保证了电极优异的机械性能，而且制备方法适合卷对卷加工方式，有望用于大规模加工柔性电极材料。.（2）柔性锂离子电池的结构设计研究.合理的电池结构设计可减小机械形变过程中重要组件所受的应变。应邀在Adv. Energy Mater.杂志上撰写综述文章，系统总结了柔性储能器件中弯曲应变的基础理论及衍生的结构设计理念。本项目探索了廉价镀铜无纺布和碳纳米管薄膜的大面积制备方法，实现了电芯本体的柔性，并结合波纹结构设计实现了可使用的柔性锂离子电池组装。与联想北京研究院开展合作，开发了应用于可穿戴器件的柔性储能器件。.（3）柔性锂-硫电池及纤维锂-硫电池的设计组装.硫的弱电导性、穿梭效应和体积变化等限制了锂-硫电池实际应用。本项目中我们通过结构限制和极性作用的“双重”抑制缓解了多硫化锂的溶出，改善了电池性能，进一步通过三维网络集流体增加了硫的负载量，提高了电池能量密度；利用溶液纺丝方法制备的连续的碳纳米管/导电聚苯胺复合纤维，组装了纤维锂硫电池，并与织物集成实现可穿戴电子器件能量供应。.该项目共发表标注资助论文9篇，其中包括Adv. Mater. 1篇，Adv. Energy Mater. 1篇。项目研究成果不仅有助于人们更深入了解柔性锂电池的电极和电池结构设计，也为柔性储能器件和柔性电子设备的集成奠定了基础。