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随着柔性显示屏、可穿戴智能织物、电子皮肤等新型柔性可穿戴电子设备的出现,柔性电子产品将会很大程度上改变人们的生活方式,因而被视为电子器件未来的发展趋势。为了满足柔性可穿戴电子设备的实际应用,柔性电子产品关键部件之一的柔性电源在具备良好电化学性能的前提下,还需要满足轻便、可穿戴、透气性好等特点。在各类能量存储装置中,柔性全固态纤维超级电容器不仅具有功率密度高、循环寿命长、充放电速度快和安全性好等优点,而且质量轻、体积小、可编织进织物中,是一种极具发展潜力的柔性电子储能器件。石墨烯纤维由于具有优异的机械性能和电化学性质,被认为是制备柔性纤维超级电容器最理想的电极材料之一。然而,纯石墨烯纤维虽然具有优异的柔韧性,但其电容量较低,因而不能满足柔性储能器件的需要。虽然可以通过向石墨烯纤维中引入其他赝电容材料提高电极材料的比电容,但一般加入的赝电容材料柔韧性差,使得石墨烯纤维的柔韧性大幅度衰减,不利于构建高性能柔性纤维超级电容器。因此,如何实现石墨烯纤维电极材料柔韧性与能量密度之间的平衡,是开发高性能柔性纤维超级电容器面临的重要挑战。为了解决石墨烯纤维电极材料柔韧性和能量密度之间的平衡问题,本研究工作采用大尺寸氧化石墨烯和小尺寸四氧化三锰纳米晶作为基本结构单元,通过湿法纺丝技术构筑高性能石墨烯/四氧化三锰复合纤维电极材料(RGO/Mn3O4)。将所制备的复合纤维电极组装成柔性全固态纤维超级电容器,并对其机械柔韧性和电化学性能进行表征。全文共包括四章内容,第1章为绪论部分,系统论述了柔性纤维超级电容器以及纤维电极材料的结构、分类、制备、应用以及所面临的挑战,讨论了石墨烯基纤维、四氧化三锰以及由二者所构成复合材料的结构、性质、制备及应用于纤维超级电容器电极方面的优缺点,并在此基础上提出了本论文的选题目的与意义、研究内容及创新点;第2、3章为实验部分,阐述了采用湿法纺丝技术和肼蒸汽还原制备出高性能RGO/Mn3O4复合纤维材料,将所制备的RGO/Mn3O4复合纤维电极组装成柔性全固态纤维超级电容器,并对其机械柔性和电容性能进行分析表征;第4章为全文总结。主要研究内容如下:(1)以大尺寸氧化石墨烯(GO)纳米片和小尺寸四氧化三锰(Mn3O4)纳米晶作为基本组装单元,通过简单湿法纺丝技术和肼蒸汽还原处理,制备具有良好柔韧性RGO/Mn3O4复合纤维材料。通过调节纺丝原液中Mn3O4纳米晶的加入量,可控制备不同含量RGO/Mn3O4复合纤维电极,并研究Mn3O4纳米晶含量对复合纤维形貌、机械性能及电化学性质的影响。研究结果表明,GO/Mn3O4复合纤维经肼蒸汽还原处理后,GO被还原成RGO而Mn3O4纳米晶结构保持不变。所制备的RGO/Mn3O4复合纤维呈规则纤维网络状结构,平均尺寸为5～8 nm Mn3O4纳米晶均匀地分散在石墨烯片层上,这种结构可有效提高电解质离子在复合纤维中的传输速率。此外,当复合纤维中Mn3O4纳米晶质量分数为30%时,所制备的RGO/Mn3O4-30复合纤维在300 mA cm-3电流密度下其体积电容可达311 F cm-3,同时具有良好的机械强度和柔韧性。因此,合适含量Mn3O4纳米晶的引入不仅可有效抑制石墨烯片层团聚,而且能够提供大量氧化还原反应活性位点,同时对石墨烯纤维机械性能影响较小,可实现石墨烯纤维电极材料整体性能的提升。(2)选择具有良好机械性能和高容量RGO/Mn3O4-30复合纤维同时作为正极和负极,采用PVA/H3PO4固态凝胶电解质,通过缠绕法组装对称型柔性全固态RGO/Mn3O4复合纤维超级电容器。电化学性能测试结果表明,组装的全固态复合纤维超级电容器在50 mA cm-3的电流密度下体积电容可达45.5 F cm-3,远高于纯石墨烯纤维超级电容器,并且显示优异的倍率性能(68%)和良好的循环稳定性(85%)。此外,组装的全固态复合纤维超级电容器在扭曲不同角度以及多次重复弯曲条件下仍能保持优异的柔韧性及电化学稳定性。该纤维器件在保持高体积功率密度(268 mW cm-3)的同时,其体积能量密度得到大幅度提高(4.05 mWh cm-3)。将三个柔性器件串联,可以将工作电压从单个纤维超级电容器0.8 V扩展到2.4 V,串联装置可以成功点亮LED灯,显示出全固态复合纤维超级电容器在下一代柔性电子设备高效能量存储方面的潜在应用。因此,将合适含量Mn3O4纳米晶引入到石墨烯纤维电极,可以在不影响纤维柔韧性和机械强度的同时,发挥其与石墨烯纤维的表面附着性以及良好的赝电容特性,为有效解决石墨烯纤维超级电容器柔韧性和能量密度之间的平衡问题提供新途径。