Page 39 - 《精细化工》2021年第12期

第 12 期 郑贤宏，等: 纤维状柔性超级电容器的研究进展 ·2401·

LIANG 等 [62] 基于光电容技术制备了一种自充 虽然纤维状太阳能电池和超级电容器的集成可
电纱线，其中纱线染料敏化太阳能电池的光电转化 实现自充电的目的，但是仍然面临以下问题：（1）纤
效率可高达 9.5%，并且自充电纱线的总能量转化效 维状太阳能电池的能量转换效率普遍低于平面器
率提高到 1.8%；LIU 等 [63] 和 FU 等 [64] 采用光电容技 件，导致集成的自充电织物的总能量转化效率较低，
术通过提升自充电纱线中染料敏化太阳能电池的光 未来仍需进一步提高纤维状太阳能电池的光电转换
电转化效率，可以将自充电纱线的能量转化效率提 效率；（2）纤维状太阳能电池和超级电容器的封装
升至 2.1%。此外，YAO 等 [65] 通过同时提高纤维超级 和织造仍然存在困难，封装和织造工艺仍需进一步
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电容器的比电容（284 mF/cm ）和纤维状染料敏太 改进；（3）纤维状太阳能电池和超级电容器连接带
阳能电池的光电转化效率（4.73%），两者集成的自 来的输入阻抗问题，二者必须充分阻抗匹配，以实
充电纤维的能量转化效率可高达 3.07%；WANG 等 [66] 现高效光电转换和电荷存储。
通过光电容技术制备了基于聚 3,4-乙烯二氧噻吩 4.2 基于纱线纳米发电机和超级电容器的自充电
（PEDOT-MS）纤维和 TiO 2 /Ti 金属丝的自充电纱线 织物
能够连续收集环境中的太阳光，并高效储存在纱线 摩擦纳米发电机（TENG）作为一种新型的能
超级电容器中，如图 8 所示，其总能量转化效率 量收集器件，主要通过摩擦起电和静电感应的耦合
（TCE）高达 5.1%，并具有优异的循环性能。 效应，实现机械能向电能的转化。TENG 的典型优
势是能量的收集过程基本不受环境约束，并具有较

高的输出电压。因此，纱线基或织物基摩擦纳米发
电机也可以作为能量收集单元与纱线超级电容器集
成，制备自充电纺织品 [67-69] 。例如，CHO 等 [70] 将碳
纤维基全固态超级电容器作为芯层，并涂覆聚(偏氟
乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)〔P(VDF-TrFE-CTFE)〕作
为皮层，制备了一种同轴结构的自充电纤维。在 10
Hz 机械振动频率下，其可以充电到 300 mV；WANG
等 [71] 设计了一种织物基摩擦纳米发电机（FTENG）
和超级电容器综合装置，并且将两者织入到织物中，

图 7 基于 TiN/Ti 丝构成的染料敏化太阳能电池和超级 收集慢跑过程中的机械能，并将这部分机械能通过
电容器及其自充电织物（a） [59] ；基于 CNT 纤维 FTENG 转化为电能，FTENG 可以在 10 s 内将纤维
和 Ti 丝构成的染料敏化太阳能电池和超级电容器 状超级电容器的电压增加到 8 mV，表明 FTENG 可
及其自充电纱线（b） [61] 以有效地收集运动中的机械能，并对纤维状超级电
Fig. 7 Self-powered fabric integrated with TiN/Ti wire- 容器充电。
based dye-sensitized solar cell and supercapacitor
(a) [59] ; Integrated wire-shaped device containing Ti 基于纤维状纳米发电机和超级电容器构成的自
wire and CNT fiber-shaped dye-sensitized solar cell 充电织物虽然可以实现人体机械能的收集和储存，
and supercapacitor (b) [61]
但是仍然面临以下问题：（1）纤维状纳米发电机和
超级电容器集成时需要进行桥式整流才能实现对超
级电容器的充电，这增加了电路的复杂性并且限制
了其实际应用；（2）由于纤维状纳米发电机较小的
输出电流导致对超级电容器的充电过程较为漫长，
未来仍需进一步提高纤维状纳米发电机的输出电
流，以实现快充目的；（3）纤维状纳米发电机很难
将超级电容器充电到可实际应用的电压，未来仍需
进一步提高纤维状纳米发电机的输出功率，并提高
集成器件的输出电压，以实现其智能可穿戴应用。

5 结束语与展望
图 8 基于纤维染料敏化太阳能电池和超级电容器构成
的光电容器 [66] 虽然纤维状超级电容器具有柔性、轻质、功率
Fig. 8 Fiber-shaped photocapacitors consisted of fiber-shaped
dye-sensitized solar cell and supercapacitor [66] 密度高、循环寿命长、快速充放电的特性，并在智