随着人们对可折叠显示器、可穿戴等便携式柔性电子产品越来越旺盛的需求，直接激发了供给端生产柔性、轻量化和耐用性能量储存设备的热情，较为容易地维持了便携式柔性电子设备高功率、高能量密度的性能。

科学家已经开始探索各种设计策略，比如通过对多孔材料的补充，来扩大电荷储存容量，利用高导电材料和路径建设促进电荷传输，然后通过耐用性材料加固纤维，进而形成易用性较强的纤维型平台。

图｜双壁碳纳米管线合成过程（来源：Science Advances）

然而，由于非必需添加剂的存在，以上设计策略仅能对部分纤维的性能进行适度改善。因此，开发一种同时兼备存储大量电荷、高导电性和优越机械性能的集成光纤，已经成为开发下一代便携式电子产品的关键步骤。

近日，仁荷大学和韩国材料科学研究所的科学家设计出一种与“珠宝项链”结构类似的混合型复合纤维，其主要由双壁碳纳米管线（DWNTY）和金属有机框架（Metal-Organic Frameworks，MOFs）两部分组成。

再通过热处理的方式将 MOFs 转化成 MOF 衍生碳，来实现能量储存最大化和优越的机械性能。

图｜一体化柔性超级电容器在极端负载下的优越性能（来源：Science Advances）

1 月 5 日，相关论文以“All-in-one flexible supercapacitor with ultrastable performance under extreme load”为题发表在Science Advances上。

图｜相关论文（来源：Science Advances）

由仁荷大学化学与工程系智能能源材料教育研究中心先进纳米杂交实验室教授金泰勋（Taehoon Kim）、韩国材料科学研究所复合材料研究所助理教授宋在阳（Seung Jae Yang）担任共同通讯作者 [1]。

该研究揭示了具有可调性能和机械鲁棒性的混合纤维，可以在各种机械变形的条件下发挥作用，使超强光纤产生足够的功率以激活发光二极管，同时可将 10Kg 的重量拉起。

图｜混杂纤维将重物提起测试（来源：Science Advances）

事实证明，由于光纤型固态超级电容器所具备重量轻、易操作和变形灵活等优点，可以被广泛应用于新一代的储能设备中，这种光纤型固态超级电容器易于处理和变形的性能，推动了下一代储能目标的实现。

据悉，该团队在实验过程中，先将双壁碳纳米管线组合成数 10 微米厚度的单一纤维，然后，将装置的高孔碳外部暴露在外面作为高机械和导电性的高能电力存储系统，最终制备出混合复合材料。

图｜复合材料制备表征（来源：Science Advances）

该团队基于浮动催化剂的合成工艺，利用纺丝纳米管纱线直接制备杂化复合材料，进而制备出双壁碳纳米管纱线，该团队把制备出来的结构浸泡在丙酮中，可以增加材料密度和强化产品性能。

通过光学显微镜、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）和透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）可以观察到，直径为 15 微米的双壁碳纳米管线包含数以千计个直径为 5 纳米的单双壁碳纳米管线。

科研工作者再利用拉曼光谱和热重分析策略来对产品的高结晶度和纯度进行确认，并进行高水平的整合。这样制备出的混合光纤，可作为下一代光纤储能系统的基本组件。

紧接着，该团队将混合纤维直接碳化至 900 摄氏度，以保证良好的导电性和微孔隙率。这种通用的方法允许通过 MOF 密度来控制双壁碳纳米管线的厚度。

为了使纤维材料的界面键进一步加强，该团队将官能团引入 DWNTY 表面，并通过改变 MOF 合成的配体，来诱导其他分子进行相互作用。他们使用 X 射线光发射光谱和傅里叶变换红外光谱，对氨基苯甲酸进行氮化，在纳米管纱线表面引入羧基，验证了纱线表面的功能化不会改变其石墨结构。

图｜一体化柔性超级电容器在极端负载下的超稳定性（来源：Science Advances）

这一过程模拟了界面修饰对纱线和金属有机框架之间界面强度的影响，以显示界面修饰的有效性。研究小组做了一个大胆的假设，以验证多孔材料的增厚纤维是否能对设备的储能性造成影响。

研究发现，该猜想可以结合上百种纤维使储能设备的结构增厚来实现，在前体溶液中培养含有胺基的配体，在生产出不同程度承压变形的纱线之前先把胺基碳化，即可制备出纤维和纺织超级电容器。

在拉伸测试中，该储能设备即使经过 500 次循环重复的弯曲，结构依然完好无损，仍可显示出 88% 的电容保持率，充分验证了该设备具有良好的可变性能。

因此，该研究成果在有望在可折叠显示器、可穿戴电子设备中广泛地应用，尤其是柔性可穿戴电子设备。