纸卷铅笔启发的多层交织纳米纤维素超级电容器电极实现跨尺度应力阻抗与电化学稳定性协同调控

本文创新性地提出受纸卷铅笔多层包裹结构启发的自组装电极架构，通过细菌纤维素（BC）交替缠绕构建多尺度支架，结合聚多巴胺（PDA）界面增强和聚吡咯（PPy）导电网络封装，成功实现动态应力下96.3%电容保持率（10,000次循环+40 kHz超声），为柔性储能器件（supercapacitor）的机械-电化学（mechano-electrochemical）协同设计提供新范式。

　　

Highlight
本研究验证了多层封装交织结构能有效约束赝电容材料，在动态变形下实现跨尺度应力缓冲与连续电荷传输的统一。受纸卷铅笔缓冲机制启发，细菌纤维素（BC）构建了从纳米到宏观尺度的柔性支架，通过交替缠绕分散机械应力；聚多巴胺（PDA）强化了氮掺杂石墨烯（N-rGO）与聚合物的界面电子耦合；连续聚吡咯（PPy）层则形成稳定的离子/电子双通路网络。

Results and discussion
为实现动态应力下电极的结构与电化学稳定性，我们通过逐级自组装策略设计了纳米纤维素基多层交织电极（图1）。该结构模仿纸卷铅笔的外纸壳保护内石墨芯机制：BC纤维通过氢键自组装形成三维网络，作为应力梯度耗散框架；PDA在N-rGO表面原位聚合，通过π-π堆叠和氢键增强界面粘附；PPy在PDA修饰的BC/N-rGO基底上电化学沉积，形成连续导电包覆层。这种"核-壳-鞘"结构使电极在200%拉伸应变下仍保持92%电容保留率。

Conclusion
研究证实多层交织架构通过BC的机械支架作用、PDA的界面耦合效应和PPy的连续导电网络，协同解决了柔性电极（flexible electrode）在动态环境中材料脱落与性能衰减的难题。该设计在10,000次充放电循环联合超声扰动（40 kHz/200 W）后仍保持96.3%容量，为兼具应力阻抗（stress impedance）与电化学耐久性（electrochemical durability）的下一代柔性储能器件提供了模块化构建策略。