先进核鞘结构相变纤维膜在柔性超级电容器中的原位热调控研究

针对极端温度下超级电容器材料退化及电解质电阻升高的问题，研究人员通过同轴静电纺丝技术开发了具有双相变温区的核鞘结构相变纤维膜，并以此为基底构建了聚苯胺纳米阵列柔性超级电容器。该器件在5 mV s?1扫描速率下实现521.3 mF cm?2的面电容，相变纤维在0–10°C和40–50°C区间分别具有27.9 J g?1和34.5 J g?1的高潜热，显著提升了器件在宽温域下的稳定性，为可穿戴电子设备的能源管理提供了创新解决方案。

　　

随着柔性可穿戴电子设备的快速发展，从电子皮肤到医疗传感器，对高性能储能器件的需求日益迫切。柔性超级电容器(SCs)因其高功率密度、快速充放电和优异弯曲性成为理想选择，但极端温度会加速电极老化或增加电解质粘度，导致性能急剧下降。传统相变材料(PCM)冷却存在导热率低、泄漏风险等问题，而现有研究多集中于高温调控，对低温环境下的性能稳定缺乏有效解决方案。

为解决这一难题，研究人员通过同轴静电纺丝技术设计了一种具有核鞘结构的双相变温区纤维膜(PAN/OP5E&OP44E)，其独特的"狼牙棒"状结构为聚苯胺(PANi)纳米阵列生长提供了理想基底。该纤维在0–10°C和40–50°C区间分别具有27.9 J g^?1和34.5 J g^?1的高潜热，经真空镀金和原位聚合后构建的柔性超级电容器展现出521.3 mF cm^?2的面电容，在5000次循环后仍保持79.2%的容量，突破了传统PCM材料单一温区调控的局限。

关键技术方法
采用同轴静电纺丝制备核鞘结构相变纤维；通过真空蒸镀在纤维表面沉积金层；利用原位聚合法生长聚苯胺纳米阵列；以PVA/H₂SO₄凝胶作为电解质组装全固态器件；通过差示扫描量热法(DSC)和电化学工作站分别表征热学与电化学性能。

研究结果

1. 相变纤维的形貌与结构：SEM显示纤维呈圆柱形且表面光滑，TEM证实了核鞘结构的成功构建，FTIR验证了OP5E与OP44E的协同作用。
2. 热性能分析：DSC测试显示双相变温区分别对应石蜡的熔融/结晶过程，TC测试表明纤维膜导热系数较纯石蜡提升300%。
3. 电化学性能：CV曲线显示PANi纳米阵列显著增加了活性位点，EIS证实离子扩散阻抗降低，在-20°C至60°C范围内电容波动小于15%。
4. 机械稳定性：500次弯曲测试后容量保持率超98%，SEM显示纤维结构无破损，证明其优异的柔性耐久性。

结论与意义
该研究首创性地将双温区相变调控与纳米阵列电极相结合，通过"核鞘限域效应"解决了PCM泄漏难题，其"温度自适应"特性使超级电容器在-20°C至60°C范围内实现±5%的内阻波动控制。相比传统微胶囊化PCM，该纤维膜的拉伸强度提升8倍，为极地科考、太空探测等极端环境下的能源存储提供了新范式。论文发表于《Journal of Colloid and Interface Science》，通讯作者Chen Liu团队获得国家自然科学基金(51873108)等项目的支持。