微流控导向的柔性微纤维储能材料构筑及其规模化编织供能基础研究

This project will focus on microfluidic technique directed the construction of advanced conductive microfibers based energy-storage materials with large-area weaving. Underlying the design of electrode microstructure, a continuously large-scale production of nitrogen-doped porous graphene fiber with homogenous composition, large specific area, uniform porous network, high electrical conductivity, large mechanical strength and low cost is achieved through manipulating the ordered assembly of nanomaterials in microchannel. We mainly investigate the medium transfer, self-assembly and microfluidic behavior affecting the forming mechanism of fiber and uniformly hierarchical pores. Additionally, the relationship between the microstructure and high energy density of devices is also clarified. Based on these studies, we will establish the model analyzing the microfluidic spinning, electrode microstructure and nitrogen-active-sites influencing the electron transfer and ion diffusion. This work will not only lay the scientific foundation for the architecture of next-generation micro-energy-storage materials but also realize multifunctional application to power audio-visual devices in wearable electronics.

本项目以微流控大面积制备先进柔性微纤维储能材料为导向，从设计电极微观分级多孔结构入手，以介质在密闭微通道内自组装及氮担载成孔为手段，探索可连续制备氮掺杂多孔石墨烯纤维的先进技术方法，构筑具有大能量密度输出、规模化编织的高强纤维状储能材料。重点研究纳/微尺度下，微系统内流体流速流场、介质层流扩散、化学反应组装对纤维均匀成型、成孔的机理和调控规律；阐述组装基元、微观结构和材料性能之间的内在联系；揭示此材料高能量密度与一维纤维微结构的关系规律；构建模型模拟分析，从理论上认识微流控成丝，电极微观孔结构与电子传递、离子扩散的能量存储间构效关系的机理，并优化材料结构方案，建立可控组装、大规模制备导电纤维的工艺方法；从化学工程规模化原理出发，实现大面积、集成化二维柔性纤维编织储能材料的构筑；实现材料高性能化与视听器件供能相统一，为微流控技术制备一维材料的微型化化学工程发展提供科学理论依据与技术支撑。

针对传统纤维孔隙率低、电化学活性差及机械柔性低，导致储能材料呈现出低能量密度和可穿戴应用的科学难题。本项目以微流控大面积制备先进柔性微纤维储能材料为导向，从设计电极微观分级多孔结构入手，通过介质在限域微通道内自组装及担载成孔过程，构筑高孔隙率、高电活性和高机械柔性的氮掺杂石墨烯基纤维材料，并获得高能量密度、规模化编织及可穿戴应用的纤维状超级电容器。重点研究纳/微尺度下，微系统内流体流速流场，介质层流扩散，化学反应组装对纤维均匀成型、成孔的机理和调控规律。阐述组装基元、微观结构和材料性能之间的内在联系。揭示此材料高能量密度与一维纤维的微结构的关系规律。结合仿真模型模拟分析，从理论上认识微流控成丝，电极微观孔结构与电子传递、离子扩散的能量存储间构效关系的机理，并优化材料结构方案，建立可控组装、大规模制备导电纤维的工艺方法。从化学工程规模化理论出发，实现大面积、集成化二维柔性纤维编织储能材料，实现材料高性能化与穿戴器件供电相统一。最终，通过优化微流控合成和微流体纺丝过程调控，获得石墨烯纤维高电化学活性和氮元素可控掺杂，均一孔结构和高孔隙率可调以及放大制备，从而构筑高能量密度纤维基超级电容器，实现稳定形变供能，柔性穿戴、自供电、高灵敏传感等特性的可穿戴应用，为微流控技术制备高性能纤维材料的微化工发展提供理论基础与技术支撑。