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西安工程大學(xué)孫潤軍教授、董潔副教授團(tuán)隊(duì) ESM：1D纖維電極 - 開啟可穿戴設(shè)備新紀(jì)元，未來技術(shù)的前沿探索
2025-03-02  來源：高分子科技
關(guān)鍵詞：1D纖維電極 可穿戴

  隨著可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展，傳統(tǒng)剛性電極在柔性、輕量化和生物兼容性方面的局限性日益凸顯。在此背景下，纖維電極憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與多功能性，成為推動(dòng)可穿戴技術(shù)革新的關(guān)鍵。近期發(fā)表于《Energy Storage Materials》的綜述文章《Application progress and challenges of 1D fiber electrodes in wearable devices》系統(tǒng)總結(jié)了該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，從材料設(shè)計(jì)、制備技術(shù)到實(shí)際應(yīng)用，全面剖析了纖維電極的潛力與挑戰(zhàn)，為未來研究方向提供了重要參考。本文旨在為讀者提供該領(lǐng)域的全面概述。文章第一作者為西安工程大學(xué)博士生程文平，文章通訊作者為西安工程大學(xué)孫潤軍教授和董潔副教授。



纖維電極的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與技術(shù)潛力


  纖維電極以一維線性結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合碳納米管、石墨烯等高導(dǎo)電材料的特性，展現(xiàn)出卓越的機(jī)械柔性與電化學(xué)性能。其輕量化設(shè)計(jì)不僅能夠無縫集成于紡織品中，還可適應(yīng)人體動(dòng)態(tài)活動(dòng)中的反復(fù)拉伸與彎曲，顯著提升了穿戴舒適性。此外，纖維電極的多功能集成能力使其在能量存儲(chǔ)、傳感監(jiān)測及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。例如，基于碳納米管的纖維超級電容器可編織為柔性“能源布料”，為智能衣物提供持續(xù)電力；而銀納米線修飾的纖維傳感器則能實(shí)時(shí)監(jiān)測生理信號，推動(dòng)個(gè)性化健康管理的發(fā)展。


圖1. 綜述了纖維電極的材料、制備工藝及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用前景。纖維電極覆蓋多種基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)。


材料創(chuàng)新與制備技術(shù)的協(xié)同突破


  纖維電極的性能高度依賴于材料選擇與制備工藝的優(yōu)化。天然纖維如棉花和絲綢通過碳化或?qū)щ娡繉痈男，可在保留生物兼容性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電功能，為低成本、可持續(xù)的電極材料提供了新思路。碳基材料（如石墨烯纖維）憑借高比表面積和快速離子傳輸路徑，成為高能量密度儲(chǔ)能設(shè)備的理想選擇。金屬材料雖具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，但其氧化問題與生物毒性仍需通過表面功能化或復(fù)合設(shè)計(jì)加以解決。在制備技術(shù)方面，化學(xué)氣相沉積（CVD）和電化學(xué)沉積（ED）能夠精確控制導(dǎo)電層的微觀結(jié)構(gòu)，而濕法紡絲與3D打印技術(shù)則為大規(guī)模生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的纖維電極提供了可能。然而，現(xiàn)有工藝在成本效率與規(guī)模化生產(chǎn)方面仍面臨瓶頸，未來需進(jìn)一步開發(fā)綠色、低能耗的制造方法。


圖2. a)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖：考察水熱溫度和時(shí)間對棉紗碳化、氧化石墨烯還原和RC紗電極儲(chǔ)能性能的影響；b)孔隙體積小于0.90 nm對CO捕獲能力和電化學(xué)電容至關(guān)重要；c)可注射腫瘤治療纖維裝置的工作機(jī)理、結(jié)構(gòu)表征、電化學(xué)性能及細(xì)胞相容性：(1)注射入腫瘤過程示意圖。(2)光纖器件的工作機(jī)理，陰極上的ORR釋放羥基離子。(3)、(4)光纖陰極、陽極的SEM圖像；d) CNGF樣品制備工藝示意圖。


圖3. a) LM-TENG纖維結(jié)構(gòu)；b) galinstan改性碳纖維（G-CFs）的制備；c)乳酸檢測效應(yīng)的制備示意圖。


圖4. a) CoZn/N-CNFs的合成過程示意圖；b) f-CNTs/GSs和EP復(fù)合材料的制備過程示意圖。


圖5. a) TET纖維的制作工藝示意圖；b)整個(gè)電化學(xué)反應(yīng)示意圖及h型電池組成和原理；c)采用鎳層雙氫氧化物（Ni-LDH）和原位鈷金屬有機(jī)骨架（Co-MOF/Ni-LDH@CF）結(jié)合雙連續(xù)環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)電解質(zhì)兩步法制備的碳纖維電極結(jié)構(gòu)超級電容器，并附有相應(yīng)材料的電鏡圖像；d) (a) Ni3S2-NiGFs樣品制備和不對稱FSCs示意圖。


圖6. a) CVD法SnO2顆粒生長示意圖；b)化學(xué)氣相沉積法CNTF纖維示意圖及CNT和CNTF的形成機(jī)理；c) PANI-ACF的制備工藝示意圖；d)利用功能化CFEs檢測單細(xì)胞DA的電化學(xué)傳感平臺(tái)示意圖。


應(yīng)用場景：從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際落地的跨越


  在能量存儲(chǔ)領(lǐng)域，纖維電極已成功應(yīng)用于柔性超級電容器和鋰金屬電池，其高功率密度與循環(huán)穩(wěn)定性為可穿戴設(shè)備提供了可靠的能源解決方案。例如，石墨烯/鋅錳氧化物復(fù)合纖維電池在機(jī)械沖擊與清洗測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性，展現(xiàn)了其在智能紡織品中的實(shí)用價(jià)值。在健康監(jiān)測方面，纖維電極通過集成傳感功能，可實(shí)時(shí)檢測人體運(yùn)動(dòng)、心率及代謝指標(biāo)，甚至探索了在腫瘤電化學(xué)治療中的潛在應(yīng)用。此外，基于摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的纖維電極能夠?qū)⑷梭w機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為自供電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了新路徑。這些應(yīng)用不僅拓展了可穿戴設(shè)備的功能邊界，也為醫(yī)療健康與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來了革新機(jī)遇。


圖7.a) SACFSC制造工藝示意圖；b) (1) Ti?C?T?MXene溶液（MXene相）的制備工藝。(2)全纖維壓阻式壓力傳感器的制作原理圖。(3)傳感器透氣特性說明；c) ALD/c-li復(fù)合電極制作過程的數(shù)碼照片；d)復(fù)合材料V?O?@C中空纖維的密閉制備。


圖8. a)高強(qiáng)度氧化石墨烯/碳納米管- tpu混合纖維和紡織品的制造工藝示意圖；b)螺旋纖維的顯微和掃描電鏡圖像；c)電極合成策略；d) PAN-MFO柔性獨(dú)立式陽極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖；e) PDC@rGF纖維電極的制作及電極界面增強(qiáng)示意圖；f)光纖基固態(tài)超級電容電池制備原理圖。


圖9. a) cu /rGO器件模型示意圖；b)聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）/還原氧化石墨烯/聚磷酸酯（PEDOT:PSS/rGO/PPy，簡稱PGP）雜化纖維基柔性纖維形超級電容器（FSSC）的制備工藝；c) Sn-MOF@PAN-X和SCNP的制備示意圖；d) (1) G/Zn-MnO2@SYBs與腈綸紗織成的能源超級織物示意圖。這種面料具有優(yōu)異的耐洗性和抗錘性，還可以為手機(jī)充電。(2) G/Zn-MnO2@SYB的制備工藝示意圖。


圖10. a) (1) CCF/PDMS制備示意圖。(2)纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)。(3)、(4)棉纖維和CCF的FESEM圖像；b)網(wǎng)格制作流程示意圖；c)纖維電極的制作工藝；d)用于改善慢性神經(jīng)記錄質(zhì)量的PEDOT/SNP （MT）包覆電極示意圖。


圖11. a)(1)充電電路條件。(2)放電電路條件及LED照明。(3)控制無線通信電路的蓄電電路原理圖；b)(1)設(shè)置測量由聲音振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的AAPNG的周期性輸出尖峰（音樂播放時(shí)LED亮起）。(2) AAPNG機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電容存儲(chǔ)，使紅色LED和LCD顯示激活的原理圖。(3) AAPNG制備工藝圖；c)利用AANWs導(dǎo)電納米網(wǎng)絡(luò)制備的EC纖維結(jié)構(gòu)示意圖；d)黑白電子墨水微膠囊顯示結(jié)構(gòu)示意圖。


挑戰(zhàn)與未來研究方向


  盡管纖維電極展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，其實(shí)際應(yīng)用仍面臨多重挑戰(zhàn)。動(dòng)態(tài)使用環(huán)境下的機(jī)械-電化學(xué)穩(wěn)定性問題亟待解決，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的斷裂與界面失效可能導(dǎo)致性能衰減。通過材料復(fù)合（如碳-聚合物雜化體系）與表面工程（如功能化涂層）優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，是提升耐久性的關(guān)鍵策略。此外，現(xiàn)有制備技術(shù)的高成本與低效率限制了規(guī)；a(chǎn)，開發(fā)基于可持續(xù)原料（如生物質(zhì)衍生碳）的綠色工藝成為重要方向。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，金屬納米材料的潛在毒性要求研究者進(jìn)一步探索高生物兼容性材料（如導(dǎo)電水凝膠）的應(yīng)用。未來研究需聚焦于多功能集成設(shè)計(jì)，例如將能量存儲(chǔ)、傳感與自供電功能融合于單一纖維體系中，同時(shí)推動(dòng)跨學(xué)科合作以加速技術(shù)轉(zhuǎn)化。


  纖維電極作為可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)，正逐步從實(shí)驗(yàn)室研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。其在柔性電子、健康監(jiān)測與綠色能源中的多維潛力，預(yù)示著一個(gè)高度集成化、智能化的可穿戴未來。然而，材料性能的優(yōu)化、制備技術(shù)的革新以及生物安全性的提升仍是實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地的核心課題。隨著納米技術(shù)與制造工藝的持續(xù)進(jìn)步，纖維電極有望引領(lǐng)下一代可穿戴設(shè)備的創(chuàng)新發(fā)展，為人類生活與健康管理帶來深遠(yuǎn)影響。


  本文內(nèi)容基于《Energy Storage Materials》期刊綜述《Application progress and challenges of 1D fiber electrodes in wearable devices》，更多技術(shù)細(xì)節(jié)與數(shù)據(jù)請參閱原文。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104059


  下載：Application progress and challenges of 1D fiber electrodes in wearable devices

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