С быстрым развитием портативных и носимых умных электронных устройств спрос на устройства хранения энергии становится всё более требовательным. Традиционные суперконденсаторы сталкиваются с трудностями в удовлетворении этих меняющихся требований. Напротив, гибкие суперконденсаторы — благодаря своей легкости, способности к изгибу и превосходной циклической стабильности — зародились как новое поколение устройств хранения энергии с огромным потенциалом. В данной статье рассматриваются последние достижения в области применения углеродных волокон в гибких суперконденсаторах, обобщаются существующие проблемы, с которыми сталкивается эта технология, и приводится перспективный взгляд на её будущее развитие.

Материалы электродов играют ключевую роль в определении производительности суперконденсаторов. Одновременное достижение как гибкости активных электродов, так и высокой плотности энергии по-прежнему остается серьёзной задачей. Среди различных материалов углерод обладает превосходными свойствами, такими как твердость, оптические характеристики, термостойкость и отличная проводимость, что делает его идеальным кандидатом для использования в качестве основного материала электрода в гибких суперконденсаторах. В частности, углеродные волокна выделяются своей выдающейся электрической и теплопроводностью, а также исключительной химической стабильностью, привлекая к себе пристальное внимание исследователей. Применение разнообразных структурных дизайнов позволяет лучше интегрировать электроды, электролиты и гибкие подложки. Такой подход не только обеспечивает гибкость суперконденсатора, но и повышает его возможности накопления энергии.

Углеродное волокно — новый тип волоконного материала, содержание углерода в котором превышает 95 %, обладает превосходной устойчивостью к коррозии по сравнению с традиционными стекловолокнами. Оно легче металлического алюминия, но при этом обладает большей прочностью, чем сталь, сочетая в себе характеристики гибкости снаружи и жёсткости внутри. Волокнистые углеродные материалы, такие как углеродная ткань и нановолокнистая бумага, одновременно обладают отличной проводимостью и гибкостью, что делает их идеальными для изготовления электродов в гибких суперконденсаторах. Однако суперконденсаторы на основе волокон страдают относительно низкой плотностью энергии, что часто ограничивает их практическое применение; это же ограничение касается и углеродного волокна при использовании его в качестве электродного материала.

Для повышения плотности энергии можно использовать два подхода: оптимизацию рабочего потенциального окна и максимизацию удельной ёмкости. Использование органических или ионных электролитов может значительно улучшить проводимость, в то время как сборка асимметричных суперконденсаторов эффективно расширяет потенциальное окно. MnO₃ обладает работой выхода, достигающей 6,9 эВ, что делает его пригодным для использования в качестве положительного электрода, тогда как MnO₂ имеет работу выхода 4,4 эВ, идеально подходящую для отрицательного электрода. Учитывая значительную разницу в работе выхода между положительным и отрицательным электродами, эта несовпадение позволяет эффективно увеличить общее напряжение потенциального окна. Чтобы повысить удельную ёмкость, один из подходов заключается в интеграции псевдокапацитивных материалов, что вызывает псевдокапацитивные эффекты и тем самым усиливает способность электродного материала накапливать заряд. Карбоновые волокна часто используются в качестве гибких подложек, на которые наносятся и выращиваются металлооксиды или проводящие полимеры, служащие активными электродными материалами. Исследователям удалось успешно разработать модифицированные азотом легированные карбоновые волокнистые тканевые электроды, демонстрирующие выдающиеся электрохимические характеристики и предлагающие простой, но эффективный путь к масштабному производству высокопроизводительных электродных материалов на основе карбоновых волокон. Кроме того, исследователи применили метод электродепозиции для прямого выращивания никель-кобальтовых слоистых двойных гидроксидов на карбоновой волокнистой ткани, в результате чего получили электрод, обеспечивающий впечатляющую удельную ёмкость 1540 Ф/г при плотности тока 1 А/г.

Ключ к гибким суперконденсаторам заключается в электродах, сочетающих высокую производительность с превосходной гибкостью. Углеродные волокна, обладающие выдающимися физико-химическими свойствами и природной способностью к плетению, идеально подходят в качестве электродов для гибких суперконденсаторов. Однако ограничением углеродных волоконных электродов является их относительно низкая плотность энергии, которую можно улучшить за счет расширения окна электрохимического потенциала и повышения удельной емкости. Кроме того, интеграция углеродных волокон с различными оксидами металлов значительно усиливает их способность хранить энергию. Помимо этого, использование органических или ионных электролитов не только повышает электрическую проводимость, но и позволяет настраивать характеристики в зависимости от уникальных значений работы разных металлических оксидов. Собирая асимметричные суперконденсаторы, становится возможным дополнительно расширить диапазон рабочего напряжения, тем самым максимально увеличивая эффективность хранения энергии.

В резюме, наноуглеродные материалы, такие как углеродное волокно, обладают большим потенциалом для применения в гибких суперконденсаторах; однако несколько вопросов всё ещё требуют тщательного рассмотрения и решения, в том числе:

(1) Не разработан единый стандарт оценки производительности гибких суперконденсаторов.

(2) Наноуглеродные материалы обычно стоят дорого, из-за чего их применение в промышленных масштабах в настоящее время является сложной задачей.

(3) Необходимо постоянно исследовать новые материалы с выдающимися электрохимическими характеристиками. Следует подробно проанализировать механизмы хранения энергии для улучшения существующих материалов. Кроме того, структуру суперконденсаторов можно оптимизировать в соответствии с различными сценариями применения.