一種連續(xù)制備復(fù)合纖維狀超級(jí)電容器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于柔性儲(chǔ)能及可穿戴器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種纖維狀復(fù)合超級(jí)電容器的連續(xù)制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維狀超級(jí)電容器作為柔性儲(chǔ)能器件的重要組成部分，對(duì)可穿戴設(shè)備的發(fā)展有著重要的影響。近年來，新型碳基纖維狀超級(jí)電容器得到了國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注和極大熱情，在柔性儲(chǔ)能器件領(lǐng)域展示了具有良好的應(yīng)用前景。
[0003]與傳統(tǒng)超級(jí)電容器的平面結(jié)構(gòu)相比，纖維狀超級(jí)電容器具有更好的柔性如可三維扭曲變形，使其能夠適應(yīng)各種產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)，同時(shí)還可以通過紡織技術(shù)編成織物與普通衣服進(jìn)行無縫結(jié)合。對(duì)于超級(jí)電容器的容量，可以通過材料的選擇、結(jié)構(gòu)的控制和制備工藝的優(yōu)化制備高性能纖維狀超級(jí)電容器，其體積能量密度和質(zhì)量能量密度能夠達(dá)到甚至高于同類型的平面狀超級(jí)電容器。另外，由于纖維狀超級(jí)電容器可以做成各種形狀，可以放置在設(shè)備中的任意非功能區(qū)域，因此即使纖維狀超級(jí)電容器的能量密度與平面狀超級(jí)電容器的能量密度相同，也可以通過調(diào)整設(shè)備整體結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)更多的能量，從而提高設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。因此，纖維狀的超級(jí)電容器，可以有效滿足可穿戴設(shè)備及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展需求。但是，目前纖維狀超級(jí)電容器的制備方法較為復(fù)雜，其通常包括纖維制備，沉積活性物質(zhì)，組裝器件等多步工序。復(fù)雜的制備方法造成纖維狀超級(jí)電容器的制備效率低且性能不穩(wěn)定，從而嚴(yán)重制約了纖維狀超級(jí)電容器的發(fā)展。。
[0004]目前，已有研究人員發(fā)展了多種方法連續(xù)制備用于纖維狀超級(jí)電容器的纖維電極，這些方法在促進(jìn)纖維狀超級(jí)電容器發(fā)展的同時(shí)，仍舊存在一些問題。如制備方法復(fù)雜，纖維電極內(nèi)阻大，制備時(shí)間長(zhǎng)等。因此，開發(fā)連續(xù)、快速制備纖維狀超級(jí)電容器的普適性新方法是實(shí)現(xiàn)其實(shí)際應(yīng)用的重要步驟。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種連續(xù)、快速制備纖維狀復(fù)合超級(jí)電容器的方法。
[0006]本發(fā)明提供制備纖維狀復(fù)合超級(jí)電容器的方法，具體步驟如下:
(1)以可紡碳納米管陣列作為起始原料，通過干法紡絲連續(xù)制備碳納米管纖維；所述可紡他納米管陣列是通過化學(xué)氣相沉積制備得到；
(2)將步驟(I)制備的碳納米管纖維連續(xù)通過裝有活性物質(zhì)溶液的電解槽，碳納米管纖維通過金屬電極與外電路連接用作工作電極，鉑絲與外電路連接用作對(duì)電極，銀/氯化銀電極與外電路連接后用作參比電極，然后通過連續(xù)電化學(xué)沉積或聚合的方法，將活性物質(zhì)沉積或聚合在碳納米管纖維表面，制備得到碳納米管復(fù)合纖維；
(3 )將步驟(2 )制備得到的碳納米管復(fù)合纖維連續(xù)通過聚合物凝膠電解質(zhì)，得到凝膠電解質(zhì)包裹的纖維狀復(fù)合電極；最后通過電機(jī)將兩根相同結(jié)構(gòu)的纖維狀復(fù)合電極纏繞得到纖維狀復(fù)合超級(jí)電容器。
[0007]本發(fā)明中，步驟(I)中所述碳納米管纖維的直徑在10-100 μm。
[0008]本發(fā)明中，步驟(2)中所述的活性物質(zhì)溶液為氧化石墨烯水溶液，乙酸錳水溶液，苯胺水溶液和吡咯水溶液。所述氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的濃度為lmg/ml-5mg/ml，此外還包含0.05M-0.5M的高氯酸鋰；所述乙酸錳水溶液中乙酸錳的濃度為0.05M-0.5M，此外還包含0.1M-1.0M的硫酸鈉；所述苯胺水溶液中苯胺濃度為0.05M-0.5M，此外還包含0.1M-1M硫酸；所述吡咯水溶液中吡咯濃度為0.05M-0.5M，此外還包含0.05M-0.5M硝酸鉀。
[0009]本發(fā)明中，步驟(2)中所述連續(xù)電化學(xué)沉積，其電壓范圍為-1.2V-1.2V ;沉積的時(shí)間為 10s-500S。
[0010]本發(fā)明中，步驟(2)中所述金屬電極選自金、銀、銅、鈾、鎳的絲、棒或片材。
[0011]本發(fā)明中，步驟(2)中所述碳納米管復(fù)合纖維包括碳納米管/石墨烯復(fù)合纖維，碳納米管/ 二氧化錳復(fù)合纖維，碳納米管/聚苯胺復(fù)合纖維，或者碳納米管/聚吡咯復(fù)合纖維；而且所述復(fù)合纖維為具有核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維，其核層為碳納米管纖維，其殼層為石墨烯層，二氧化錳層，二氧化釕層，聚苯胺層或聚吡咯層。相應(yīng)地，步驟(3)中所述的纖維狀復(fù)合超級(jí)電容器為碳納米管/石墨烯纖維狀超級(jí)電容器，碳納米管/ 二氧化錳纖維狀超級(jí)電容器，碳納米管/聚苯胺纖維狀超級(jí)電容器和碳納米管/聚吡咯纖維狀超級(jí)電容器。
[0012]本發(fā)明中，步驟(3 )中所述的凝膠電解質(zhì)為磷酸/聚乙烯醇電解質(zhì)，其包含I份的聚乙烯醇，9份水和I份磷酸。
【附圖說明】
[0013]圖1為連續(xù)電化學(xué)沉積制備纖維狀超級(jí)電容器示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述，本實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改變和調(diào)整，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0015]實(shí)施例1:
(1)將兩片可紡碳納米管陣列固定在旋轉(zhuǎn)電極上，通過干法紡絲從中連續(xù)制備出碳納米管纖維，得到的碳納米管纖維的直徑為20 μπι ;
(2)將步驟(I)得到的碳納米管纖維連續(xù)通過盛有氧化石墨烯的水溶液，其中氧化石墨烯的濃度為3mg/ml，高氯酸鋰為0.1M。以銅棒將碳納米管纖維與外電路連接用作工作電極，鉑絲用作對(duì)電極，銀/氯化銀用作參比電極。設(shè)置電化學(xué)沉積的電壓為-1.2V，電化學(xué)沉積的時(shí)間為300s。通過連續(xù)電化學(xué)沉積可以得到碳納米管/石墨烯復(fù)合纖維；
(3)將步驟(2)得到的碳納米管/石墨烯復(fù)合纖維連續(xù)通過磷酸/聚乙烯醇凝膠電解質(zhì)，得到電解質(zhì)包裹的碳納米管/石墨烯復(fù)合纖維電極，通過收集電機(jī)將兩根碳納米管/石墨烯復(fù)合纖維電極纏繞得到碳納米管/石墨烯復(fù)合纖維狀超級(jí)電容器。
[0016]實(shí)施例2:
(1)將兩片可紡碳納米管陣列固定在旋轉(zhuǎn)電極上，通過干法紡絲從中連續(xù)制備出碳納米管纖維，得到的碳納米管纖維的直徑為25 μπι ;
(2)將步驟(I)得到的碳納米管纖維連續(xù)通過盛有乙酸錳的水溶液，其中乙酸錳的濃度為0.1M，硫酸鈉為1.0M。以銅棒將碳納米管纖維與外電路連接用作工作電極，鉑絲用作對(duì)電極，銀/氯化銀用作參比電極。