随着科技的进步与高技术战争形势的发展,士兵的单兵作战能力和生存能力引起越来越大的关注,这就要求士兵需携带足够多的装备和物资以保证其持续作战能力,因此,集轻巧、便捷、储能于一体的智能化可穿戴作战装备便应运而生。而随着传感器、无线通讯网络和微型芯片等技术的进步,智能服装越来越趋于多功能化,这也使得智能穿戴技术不仅可应用于航空航天及国防军工等特殊领域,还在逐步向民用化发展。智能服饰在未来的发展目标是在不影响穿衣舒适度的前提下使其与服装融为一体,而储能电子器件的柔软性,可编织性和形变性能则是智能服饰发展的关键因素。目前,二维柔性超级电容器质量重,比容量小,能量密度低,且透气性差,很大程度上限制了其在可穿戴电子设备中的发展。而纤维状储能器件具有体积小,柔韧性高,易于变形和可编织的特点,被公认为最具潜力的储能电子器件。但是,与二维超级电容器相比,纤维状超级电容器(FSS)的能量密度相对较低,可拉伸性能偏差,以及不能适应极端环境等缺点极大地限制了其在可穿戴设备中的应用,因此,迫切的需要在相关的领域具有突破性的研究。本论文以导电聚合物PEDOT:PSS为电极材料,在提高FSS能量密度的前提下,重点研究了一体化可拉伸FSS;解决超级电容器在极端环境中能量密度低,容量大幅度衰减的问题,在此基础上进一步研究了集成的自供电超级电容器。主要内容概括如下:可拉伸纤维状超级电容器。可穿戴电子设备在使用过程中不可避免地会发生弯曲和拉伸。可以通过在弹性基底上缠绕纤维电极或将纤维电极组装成螺旋形来实现可拉伸的FSS。但是在实际应用中,必须对超级电容器进行串联或者并联处理才能满足电子器件的电压或者电流需求,但是串联器件的连接点在拉伸过程中往往易断裂或破损,因此,发展一体化的器件在实际应用中至关重要。本章利用湿法纺丝方法制备高电导率、高柔韧性、高比电容和宽电化学窗口的PEDOT:PSS纤维电极,既可以作为电极材料也可以作为导线连接超级电容器,设计了一种新型的“内置串联”可拉伸FSS。在此基础上,设计了一种一体化的弹性FSS组,在弹性纤维上同轴缠绕FSS组的器件,由8个可拉伸FSS串联组成且无需外接导线连接,其拉伸率可以高达400%。另外,在功率密度为3520 μW cm-2时,FSS具有超高的能量密度为41.1 μW h cm-2,其输出电压高达12.8V,这为相关可拉伸电子器件及其复合器件的设计提供了新的思路。宽温域纤维状超级电容器。在实际应用中,将柔性可穿戴电子器件直接接触人们的皮肤时,不可避免的会发生弯曲或者缠绕,一旦电解液发生泄漏,这些潜在的安全问题将会引起非常严重的后果。另外,电容器的性能在极端环境中也会恶化,例如电容衰减,内部电阻增加,循环寿命降低以及由于内部热量的增加而引起的爆炸,这些问题都会严重限制其在实际中的应用。此外,FSS在低温环境中容量大幅度衰减甚至容量消失,在高温环境中电解液极易挥发以及液体电解液容易泄漏等安全问题。解决超级电容器在极端环境中性能恶化的方法是:设计一类新的FSS结合水系凝胶电解液与核壳结构的纳米晶纤维。纤维内芯由导电聚合物和少量无定形Ru02组成,具有较高的赝电容。外壳由纳米晶体聚合物组成,它不仅提供了赝电容,还作为导电层和缓冲层,抑制了结构的粉化,防止了 Ru02在极端工作温度下发生可能的副反应。基于水系凝胶电解质的FSS在-60到75℃的宽温域范围内表现出优异的柔韧性和高能量密度,而且具有超高的安全性能。在-60℃温度下循环5000圈后,其电容保持率为97.2%,能量密度仍然保持在14.2μW h cm-2,这为相关电子器件及其高低温器件的设计提供了新思路。自供电超级电容器。在解决了 FSS柔性可拉伸和宽温域应用的基础上,FSS的自放电较快一直是一个很严峻的问题,而自供电储能器件的发展可以解决其自放电问题并可以使人们摆脱对电网的完全依赖。太阳能具有环保,可再生和分布广泛等特点,但是受到天气和气候影响,太阳能的输出具有不稳定性且不可预测的特点。因此,设计了一种多功能的纤维状电极材料将太阳能电池与超级电容器集成在一起,既可以做染料敏化太阳能的对电极,也可以做超级电容器的工作电极,同时还可以作为连接太阳能电池和超级电容器的导线,提高自供电集成器件的总转换效率和集成度,减少能量损耗。本文集成的柔性纤维状自供电器件的总能量转换效率高达5.1%,循环圈数高达1700圈时仍保持3.5%的总能量转化效率,而且具有63天的超长时间稳定性,是目前集成自供电能源器件中总转换效率和循环圈数最高的。这为可穿戴自供电集成储能器件的发展提供了很好的应用前景。综上所述,本论文以导电聚合物作为电极材料,研究了一系列的高弹性、宽温域和自供电的FSS,深入分析了无机酸对导电聚合物结构的影响以及材料结构的重排对其电导率,机械性能和电化学性能的影响,对认识导电聚合物的储能过程和机理起到了积极的促进作用。另外,可编织、可集成的多功能柔性FSS,也为可穿戴能源器件的发展提供了新的思路和方法。