一、研究背景

随着科学技术的不断发展，人们对生活的要求越来越高，传统的刚性扁平能源装置的夹层结构已经不能完全满足人们的日常生活需求。因此，在储能设备的基本供电功能之外，迫切需要将其轻量化、柔性化和可编织性整合到储能设备中。其中，纤维形超级电容器（FSCs）由于电极材料的多样性和组装结构的革新，可以实现多功能性，在柔性可穿戴能源相关系统领域显示出巨大的潜力。

一般来说，有两种常见的方法来实现FSCs的电荷存储和释放性能，以及可织性和可穿戴性。首先，采用1D导电金属线或碳基纤维作为集流器，并使用其他容性负载，如金属氧化物和导电聚合物。如Li等人使用Ni(NO3)2和Co(NO3)2作为电容前驱体。采用恒流沉积法在碳纤维（CF）上合成镍钴层状双氢氧化物（Ni-Co LDH），制备了复合FSC电极。该电极在电流密度为1 a g−1时获得了1540 F g−1的高比电容。然而，由于CF与Ni-Co LDH层之间的界面相互作用较弱，活性材料容易断裂脱落，导致电极循环性能较差，循环5000次后电容保持率为73.8%。此外，除了占用体积和重量外，CF支架仅起到集电流的作用，提供的电容可以忽略不计，限制了其在实际生活中的应用。其次，为了避免附加负载电容材料对电极支架的影响，采用具有固有电化学活性的一维纳米碳基纤维或导电聚合物纤维作为有源超级电容器电极。例如，He等人报道了在不同气氛下通过高温烧结活化CF，从而得到电化学活性的CF电极。首先将CF放入管式炉中，在900°C氮气下烧结。然后，注入氮气和氨的混合物，保持45分钟。在1 a g−1的充放电电流下，电极的比电容达到了204 F g−1的高值。由于基于cf的电极没有加载外源电容客体，电极在5000次循环中表现出优异的循环稳定性，电容保持率为94%。然而，这种活化处理涉及到传统的加热炉。由于加热和冷却速率低，整个活化过程能耗大、耗时长，不适合低成本、大规模、高效生产纤维状能源装置。此外，使用高温和有害气体的活化过程引起了人们对安全问题的担忧。以琼脂糖-碳纳米管（CNT）水凝胶为原料，经电阻焦耳加热制备的cf基电极也有报道。然而，所得电极的比电容仅为5.1 F cm−3，与实际应用的要求相去甚远。因此，开发一种基于商用和机械强度高的碳纤维材料制备高性能FSC电极的简便方法具有重要意义，有望促进可穿戴光纤形状电子产品的真正应用。

在此，我们利用商用CF前驱体，报道了一种模板介导的焦耳加热过程，用于超级电容器应用的CF的快速活化。该方法首先通过电化学沉积将Ni-Co LDH纳米片引入碳纤维表面。Ni-Co LDH的原位还原和生成的金属纳米颗粒的蒸发是通过连续的短时间焦耳加热处理来实现的。结果，CF的表面被激活，CF的电容显著提高到约268 F g−1。此外，通过将焦耳加热激活的CF （JACF）电极与PVA-H3PO4凝胶电解质组装，全固态FSC的比电容为99 F g−1，在5000次充放电循环中保持85%以上。与传统的FSC电极活化方法相比，本文报道的焦耳加热工艺具有显著的高效、节能和环境友好的优点。所得的FSC具有12.6 Wh kg−1的高能量密度，在未来的可穿戴设备中具有广阔的应用前景。

二、摘要

最近，碳纤维（CF）在纤维状可穿戴储能设备的应用中得到了创新。然而，要改变碳纤维的表面结构，通常需要在苛刻条件下进行耗时耗能的活化过程。本文以镍钴层状双氢氧化物衍生纳米金属颗粒为模板，提出了一种快速有效的焦耳加热活化方法。由此产生的焦耳加热活化 CF（JACF）具有出色的电容性能，其电极电容为 268 F g-1。在组装成固态纤维状超级电容器（FSC）后，该器件显示出更高的比电容和能量/功率密度，以及超过 5000 次循环的长期稳定性。与传统的化学蚀刻或高温退火工艺相比，本研究中报道的焦耳加热法在活化 CF 方面省时省力，有望大规模生产高性能纤维状可穿戴能源器件。

三、结论

总之，本研究提出了一种利用模板介导焦耳加热工艺的新型 CF 活化方法。Ni-Co LDH 通过电化学沉积到 CF 上，然后通过闪蒸焦耳热设备进行快速焦耳加热还原和蒸发处理，最终得到具有多孔纤维表面和嵌入氧元素的 JACF。因此，由 JACF 制成的纤维状电极显示出 268 F g-1 的显著增强电容，比未经处理的 CF 电极高出两倍多。采用对称 JACF 电极的固态 FSC 在电流密度为 0.5 A g-1 时显示出 99 F g-1 的高比电容。相应的能量密度和功率密度分别达到 12.6 Wh kg-1 和 4275 W kg-1。因此，这种活化方法有望大规模、低成本地制备高性能超级电容器。

图1.通过焦耳加热工艺制备JACF电极的示意图。

图2.a,b) Ni-Co LDH在CF上沉积90 s后的SEM图像。c)焦耳加热还原后纳米颗粒在CF上的SEM图像，d)相应的EDS映射结果