美国北卡罗莱纳州立大学(NC State)、美国国家科学技术发展局(National Science and Technology Development Agency)和泰国NSTDA表征和测试服务中心的研究人员创造了一种线状纤维形状的石墨烯阴极。然后，研究人员能够使用这种纤维制造出可以为手表供电的锌离子电池原型。
“最终，我们想要制造一种纱线形状的电池，这样我们就可以把它放在真正的衣服里，最好是隐藏起来，”该研究的通讯作者、北卡罗来纳州立大学纺织工程、化学和科学副教授高伟(音译)说。“在这项研究中，我们创造了一种纱线状的阴极。们的发现对于如此短的纤维条非常有希望，我们希望继续这项工作，以提高我们设计的性能、安全性和机械性能。”
为了制造阴极，研究人员利用石墨烯的独特特性——一种具有高表面积和良好导电性的强材料——来制造纱线状的锌离子电池。
在他们的研究中，研究人员创造了不同形状和大小的二氧化锰微粒。然后，他们使用溶液纺丝工艺形成由氧化石墨烯制成的纤维，其中嵌入二氧化锰颗粒。他们研究了这些纤维的电化学和其他特性。
“由于我们试图制造纤维形状的锌离子电池，我们不仅关心电池性能，还关心机械性能——我们需要纤维强度高且灵活，”高说。
研究人员发现，用于制造阴极的氧化石墨烯和二氧化锰材料的形状会影响其电化学功能。具体来说，他们发现较短的棒状二氧化锰成分与石墨烯混合均匀，使研究人员能够制造出一种可以作为功能电池原型的纤维。相比之下，他们发现，当二氧化锰具有“海胆”形状时，这种纤维就不能用于功能性电池。
“当石墨烯和二氧化锰混合得很好时，你可以用这种纤维来制造功能性电池，”该研究的第一作者、北卡罗来纳州立大学的前研究生 Nakarin Subjalearndee 说。“如果二氧化锰的形状像海胆，这意味着阴极线表面粗糙，无法使用。”
“棒状二氧化锰给了我们最好的性能，”高补充说。“与海胆形状的颗粒相比，这些颗粒模仿了纤维的结构或几何形状，海胆形状的颗粒是圆形的，各种边缘都指向外面。他们扰乱了氧化石墨烯纳米片在纤维中的堆叠。”
虽然电池的性能很低，但研究人员能够用它来为手表供电。该团队希望继续他们的工作，以提高设计的性能。“这项研究表明，纤维中添加剂的形状和大小会影响氧化石墨烯的纤维形成过程，”高说。“我们希望继续开发这个系统；我们希望我们的设计能够与商用电池相媲美。”文献信息：
Wet Spinning of Graphene Oxide Fibers with Different MnO2 Additives
Authors: Nakarin Subjalearndee, Nanfei He, Hui Cheng, Panpanat Tesatchabut, Priew Eiamlamai, Somruthai Phothiphiphit, Orapan Saensuk, Pimpa Limthongkul, Varol Intasanta, Wei Gao and Xiangwu Zhang.
Published: April 5, 2023, ACS Applied Materials and Interfaces,
DOI: 10.1021/acsami.3c02989
https:///10.1021/acsami.3c02989
摘要：
我们介绍了通过湿法纺丝工艺制备氧化石墨烯（GO）和二氧化锰（MnO2）复合纤维，其中涉及MnO2微观形貌和质量负载对GO / MnO2纺丝浆料的挤出性和所得复合纤维的性能的影响。通过与不同氧化剂和水热条件的水热反应合成了各种尺寸的棒状和海胆形的MnO2微粒。微粒形貌和质量负载量均显著影响GO/MnO2混合物的挤出性能。此外，纤维内MnO2微粒的取向在很大程度上受其微观表面积的影响。通过化学或热处理，复合纤维具有导电性，然后用作锌离子电池原型中的纤维阴极。事实证明，在氩气气氛下进行热退火是避免MnO2溶解和浸出的适当方法，这已在化学处理中观察到。这些rGO/MnO2纤维阴极已组装成以锌丝为阳极，以含有ZnSO4和MnSO4盐的黄原胶凝胶为电解质的原型锌离子电池。由此产生的电化学输出取决于退火温度和纤维阴极内的MnO2分布，而性能最好的纤维阴极在最大容量约为80 mA h/g时表现出稳定的循环稳定性。
