[发明专利]一种碳基复合纤维电极材料、制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳基复合纤维电极材料的一步法制备，以及由该方法制备得到的碳基复合纤维电极材料及其在超级电容器中的应用。

背景技术

碳纳米管具有优异的电学特性、极高的热传导率、良好的热稳定性和化学稳定性、高比表面积和低密度等，然而要想充分发挥碳纳米管的上述优越性能，必须将其组装成宏观结构，如纤维、丝带、薄膜等。传统的纤维成型技术主要有熔融纺丝、溶液纺丝和固相纺丝等，大部分合成纤维都是经由液相纺丝而成。然而碳纳米管由于其管壁内强大的SP2杂化键及管间的范德华力等作用，致使其具有高度的热稳定性，在通常的温度条件下不具有熔融态，故熔融纺丝技术不适用于碳纳米管的纺丝。当前已经发展的碳纳米管纤维成型技术主要基于溶液纺丝和固相纺丝。

超级电容器，又称为双电层电容器，是一种具有高功率密度、高能量密度、宽温度使用范围和长循环寿命等优点的新型能量存储元件。根据原理的不同，可以分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器。双电层型超级电容器的电极材料主要以高比表面积的碳材料为主，依靠的是电极和电解液界面的电荷分离形成双电层来存储电荷。赝电容型超级电容器的电极材料则包括金属氧化物和导电聚合物，其原理主要是依靠电极活性物质发生快速可逆的氧化还原反应来存储电荷。对于双电层超级电容器而言，由于其电容值正比于电极和电解质的界面大小，因此电容器的性能主要受到电极材料比表面积的限制。目前对于比表面积为825.2m²g^-1的碳球，其比电容可以达到240.6Fg^-1，比表面积进一步提高的余地已经不大。当比表面积进一步增大时，碳材料的电导率会下降，从而对超级电容器的性能产生影响。不同于双电层超级电容器，赝电容型超级电容器利用电极材料中活性物质发生可逆氧化还原反应存储大量电子，因而具有更高的比电容值。目前广泛应用的电极材料主要包括金属氧化物与导电聚合物。相比而言，导电聚合物具有价格低廉、电导率高以及可以通过多种方式合成的优点。聚苯胺作为一种典型的导电聚合物材料，广泛应用于超级电容器。对于基于碳纳米管的纤维型双电层超级电容器，因其有限的电荷存储，其容量值很低。目前已有在碳纳米管纤维表面原位沉积聚苯胺阵列来提高其容量的应用。但是采用化学或者电化学原位沉积聚苯胺纳米线阵列，过程繁琐，并且在原位沉积阶段会对碳纳米管纤维造成破坏，操作复杂。

发明内容

为了克服原位沉积制备电极材料时过程繁琐、碳纳米管纤维易受破坏的不足，本发明提供了一种工艺简单、成本低廉的导电聚合物、碳纳米管复合纤维电极材料的制备方法、由该方法制备得到的导电聚合物复合纤维电极材料及其在超级电容器中的应用。

一种碳基复合纤维电极材料，所述电极材料含有导电聚合物和碳基材料，所述导电聚合物以导电聚合物纳米线的形式分布在所述碳基复合纤维电极材料内。

根据本发明提供的碳基复合纤维电极材料，所述导电聚合物以导电聚合物纳米线的形式分布在碳基复合纤维电极材料内，提高了导电聚合物的活性面积，因此所述碳基复合纤维电极材料的电容容量比单纯的碳材料有明显的提高。

以碳基复合纤维电极材料的总重量为100重量%，所述导电聚合物纳米线的含量为5～95重量%，优选10～80重量%，进一步优选10～50重量%。所述导电聚合物纳米线的含量例如为20～80重量%、8重量%、12重量%、18重量%、25重量%、35重量%、45重量%、55重量%、65重量%、75重量%、85重量%、90重量%。

以碳基复合纤维电极材料的总重量为100重量%，所述碳基材料的含量为5～95重量%，优选20～90重量%，进一步优选50～90%。所述碳基材料的含量例如为20～80重量%、8重量%、12重量%、18重量%、25重量%、35重量%、45重量%、55重量%、65重量%、75重量%、85重量%、90重量%。

所述导电聚合物纳米线的直径为10～200nm，优选10～150nm，进一步优选50～100nm。所述导电聚合物纳米线的直径例如为40～200nm、60～100nm、20nm、30nm、50nm、70nm、80nm、110nm、120nm、140nm、160nm、180nm、190nm。

所述导电聚合物纳米线的长度为0.5～10μm，优选1～10μm进一步优选1.5～8μm。所述导电聚合物纳米线的长度例如为1.5～10μm、1～6μm、1.2μm、2.5μm、3.5μm、4.5μm、5.5μm、6.5μm、7.5μm、8.5μm、9.5μm。