纺织品超级电容器中一维纤维和二维织物电极的可扩展制备方法

《MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING R-REPORTS》:Scalable fabrication methods of 1D fibre and 2D fabric electrodes in textile supercapacitors

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年10月05日 来源:MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING R-REPORTS 21.1

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   摘要电子纺织品的快速发展,对能够无缝集成到纤维和织物架构中的储能技术提出了日益增长的需求。纺织超级电容器(TSCs)凭借其高功率能力、运行安全性以及与纺织基体固有的机械相容性,引起了广泛关注。然而,尽管在实验室规模上取得了显著进展,由于缺乏能够同时满足电化学、机械和工业要求的

  

摘要

电子纺织品的快速发展,对能够无缝集成到纤维和织物架构中的储能技术提出了日益增长的需求。纺织超级电容器(TSCs)凭借其高功率能力、运行安全性以及与纺织基体固有的机械相容性,引起了广泛关注。然而,尽管在实验室规模上取得了显著进展,由于缺乏能够同时满足电化学、机械和工业要求的可扩展制造策略,其实际部署仍然受到限制。作为TSCs的基本功能单元,一维(1D)纤维电极和二维(2D)织物电极在实现大规模制造中起着决定性作用。在本综述中,我们首先建立了一个面向制造的框架,阐明了市场需求、电化学原理和结构架构如何共同决定电极的可扩展性。随后,我们系统地研究了1D纤维和2D织物电极的可扩展制造策略,重点关注其加工机制、材料相容性、代表性应用、工程优势以及制造局限性。最后,我们讨论了工业化转化的关键障碍,并强调了智能制造、可持续加工和标准化认证框架中的新兴机遇,为可穿戴储能技术的实际应用提供了路线图。

引言

人工智能的突破[[1], [2], [3], [4], [5]]、物联网[6,7]和个性化医学[[8], [9], [10], [11]]正在驱动电子纺织品的快速涌现[12,13]。通过将电子功能集成到分层次的1D纤维和2D织物架构中,电子纺织品已超越传统服装的范畴,实现了涵盖医疗保健[14]、军事[[15], [16], [17]]、航空航天[[18], [19], [20]]、农业[21]、建筑[[22], [23], [24]]和交通[25,26]等领域的广泛应用。随着功能要求的不断提升,市场对储能单元的需求日益增长——这些储能单元需要将高性能电化学指标与传统电源的物理体积解耦,从而实现与日常服装的无缝集成[[27], [28], [29], [30]]。在众多可用技术中,TSCs凭借其固有的安全性、高功率能力和长使用寿命,以及与纱线、织物和服装直接集成所必需的机械顺应性,受到了特别的关注[[31], [32], [33], [34]]。近期的综述文章从活性材料[[35], [36], [37]]、结构工程[[38], [39], [40], [41]]、制造技术[42,43]以及柔性可穿戴电子中的新兴应用[44]等角度,全面总结了TSCs的快速发展。然而,这些研究主要强调了器件性能和功能集成的改进,相比之下,对制造视角的关注较少,特别是关于可扩展制造的工程原理、工业相容性以及将实验室规模技术转化为工业纺织生产的途径。
由于电极同时决定了电荷存储行为、机械完整性和可制造性,其可扩展制造成为实际TSCs应用的关键先决条件。从制造的角度来看,纺织电极可根据其维度架构大致分为两种互补的工程范式。1D纤维电极可以通过纺丝、织造、编织、刺绣和缝制等方式轻松集成到纺织结构中,为多功能可穿戴系统提供了卓越的设计灵活性[[45], [46], [47], [48], [49]]。相比之下,2D织物电极则利用成熟的纺织制造和整理技术,实现大面积、结构集成的储能纺织品。根据纺织架构的不同,机织物具有优异的尺寸稳定性和面能量密度,针织物展现出出色的变形能力和应变耐受性,而无纺织物则拥有高度多孔的互连网络,有利于电解质传输和活性材料负载[[50], [51], [52]]。这些基本的架构差异导致了不同的加工路线、工程约束、可扩展性瓶颈和工业集成途径,使得对1D和2D电极制造的独立评估至关重要。
本文基于下一代可穿戴纺织系统不断增长的需求,通过系统评估TSCs中1D纤维和2D织物电极的可扩展制造技术,建立了一个综合的面向制造的框架。如图1所示,本综述首先探讨了决定可扩展TSCs的市场需求和工程约束。随后从加工原理、制造特性、绿色可持续性、可扩展潜力和工业相容性等角度,系统评估了1D纤维和2D织物电极的代表性制造策略。最后,讨论了未来研究重点,包括工艺集成、与高速纺织制造的相容性、人工智能驱动的智能制造、面向全生命周期的可持续性,以及连接实验室规模创新与工业生产规模纺织制造所需的标准化认证策略。通过这一综合工程框架,本综述不仅总结了代表性的可扩展制造技术,还建立了一套系统方法用于评估其可制造性、工业相容性和可扩展潜力,从而为TSCs的工业化转化提供战略指导。

各章节摘要

纺织储能的市场驱动因素与应用需求

向TSCs的转型从根本上是由传统储能器件固有的机械局限性所驱动的。商用超级电容器传统上依赖于铝或铜等金属箔作为集流体(图2a)。[53]在反复弯曲、扭转和折叠的过程中,变形引起的应力积累可能导致裂纹扩展、结构断裂和电气通路的破坏。此外,……之间存在显著的机械不匹配

1D纤维和2D织物电极的可扩展制造方法

基于上述讨论的商业需求和工程约束,TSC电极的可扩展制造策略可根据电极架构大致分为两种互补的制造范式。如图5所示,1D纤维电极的制造主要依赖于连续纤维成型技术,如湿法纺丝、干法纺丝以及新兴的增材制造方法,以生产具有高……

结论与展望

TSCs的快速发展凸显了其集成到可穿戴储能系统中的巨大潜力。然而,尽管在材料设计和器件性能方面取得了显著进展,但实际实施仍然受到可扩展制造策略缺乏的制约,这些策略应能够弥合实验室创新与工业生产之间的差距。为应对这一挑战,本综述建立了一个面向制造的框架,系统地评估了可扩展制造……

关于稿件撰写过程中使用生成式AI及AI辅助技术的声明

在本文的撰写过程中,使用了生成式AI来提高示意图的视觉清晰度和呈现效果。使用完该服务后,作者根据需要审查了相关内容,并对出版内容承担全部责任。

CRediT 作者贡献声明

林莉:写作——审阅与编辑,写作——原稿撰写,可视化,形式分析,概念构思。刘锐敏:写作——原稿撰写,可视化,数据整理。万军:写作——审阅与编辑,验证,资助获取,概念构思。李然然:可视化,数据整理。刘康:写作——审阅与编辑,验证,资源。杜斗:写作——审阅与编辑,可视化,数据整理。何程恩:写作——审阅与编辑,验证。柳联青

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文工作的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金(52303064、52533017、52203070)、湖北省自然科学基金(2025AFB863、2025AFB867)、中国纺织工业联合会指导项目(2025016)以及武汉纺织大学校基金(20263030)的资助。
万军,武汉纺织大学教授,兼任副校长。他是湖北省高层次人才,也是武汉市青年科技计划的获得者。他在华中科技大学完成了博士和博士后研究,并在新加坡南洋理工大学担任访问学者。目前,他是徐卫林院士教授带领团队的核心成员。他的研究专注于……
林莉|刘锐敏|万军|李然然|刘康|杜斗|何程恩|柳联青|夏良俊|徐卫林
国家新型纺织材料与先进加工工程重点实验室,武汉纺织大学,武汉,430200,中国
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