[发明专利]一种柔性石墨烯纤维基非对称超级电容器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性石墨烯纤维基非对称超级电容器的制备方法。

背景技术

超级电容器，又称电化学电容器，以其超高的功率密度、循环稳定性成为又一重要的能量储存方式。然而由于能量密度较低，目前商业化的超级电容器仍然只能作为电池的有力补充在快速充放电领域里发挥作用，如何提高超级电容器的能量密度一直是储能领域的一项重要课题。根据公式：E = 1/2CV²可知，电容值与工作电压是决定电容器能量密度的两大因素。提高超级电容器的比电容是目前提高其能量密度的最常见方法。近来，通过组装非对称超级电容器以扩大工作电压窗口，进而提高其能量密度也越来越受到研究者的关注。

石墨烯是碳原子以sp²杂化形式连接而成的二维碳原子层，其厚度只有0.34 nm，是目前发现的最薄的二维纳米材料。自2004年被发现以来，已成为材料科学研究与工业生产领域的重要研究对象。经研究发现，石墨烯具有超高强度、极大的比表面积，高的热导率以及载流子迁移率等多种优异的特质，使其在超级电容器材料领域具有广泛的应用前景。以氧化石墨烯为构筑单元可以制备高性能多功能宏观石墨烯材料。继二维石墨烯薄膜和三维石墨烯气凝胶之后，一维石墨烯纤维也通过氧化石墨烯液晶湿法纺丝连续制备出来。尽管以二维石墨烯薄膜和三维石墨烯气凝胶为基础的非对称柔性超级电容器已被相继报道，但是制备更适用于柔性、微型的器件的一维石墨烯纤维基柔性非对称超级电容器仍然是一个难点。

 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种柔性石墨烯纤维基非对称超级电容器的制备方法，提高一维纤维状超级电容器的电化学性能。

一种柔性石墨烯纤维基非对称超级电容器的制备方法步骤如下：

1）将氧化石墨烯原料溶于溶剂，得到质量百分含量在0.1%-3%的氧化石墨烯纺丝浆液；

2）将步骤1得到的氧化石墨烯纺丝浆液以10-2000μL/min的挤出速度通过直径为10-5000μm的纺丝喷头，在5-35℃的凝固液中停留1-3600s，洗涤，真空干燥，得到氧化石墨烯纤维；

3）将步骤2得到的氧化石墨烯纤维置于还原剂中或高温热处理，得到石墨烯纤维；

4）将步骤3得到的石墨烯纤维浸泡在浓度为0.1-1g/L,温度在5-70℃的高锰酸钾水溶液中，反应10min-24h，取出洗涤，真空干燥，得到二氧化锰修饰的石墨烯纤维；

5）将氧化石墨烯和羧化多壁碳纳米管溶于溶剂并搅拌1h以上，得到氧化石墨烯/碳纳米管复合纺丝浆液；氧化石墨烯和羧化多壁碳纳米管的质量配比为1-297:3，氧化石墨烯与溶剂的质量配比为0.1-3:100；

6）将步骤5得到的氧化石墨烯/碳纳米管复合纺丝浆液以10-2000μL/min的挤出速度通过直径为10-5000μm的纺丝喷头，在5-35℃的凝固液中停留1-3600s，洗涤，真空干燥，得到氧化石墨烯/碳纳米管复合纤维；

7）将步骤6得到的氧化石墨烯/碳纳米管复合纤维置于还原剂中或高温热处理，得到石墨烯/碳纳米管复合纤维；

8）将长度与直径相等的步骤4得到的二氧化锰修饰的石墨烯纤维与步骤7得到的石墨烯/碳纳米管复合纤维分别固定在两根导电金属丝上，然后将两根导电金属丝密封在装有电解液的柔性小池子内；或者，将长度与直径相等的步骤4得到的二氧化锰修饰的石墨烯纤维与步骤7得到的石墨烯/碳纳米管复合纤维分别用凝胶电解质包覆、扭绞、再包覆并干燥；从而得到以二氧化锰修饰的石墨烯纤维为正极，以石墨烯/碳纳米管复合纤维为负极的柔性非对称超级电容器。

进一步地，所述步骤1和步骤5中的溶剂可以由去离子水、N-甲基-2-吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜、环丁砜中的任意一种或多种按任意配比混合组成。

进一步地，所述步骤2和步骤6的凝固液为水系凝固剂或有机系凝固剂；所述水系凝固剂的溶剂由乙醇与水按体积比1-9:3组成，溶质为氯化钙或醋酸锰，溶质与溶剂的的质量比为1-10:100；所述有机系凝固剂由饱和NaOH的甲醇溶液、饱和NaOH的乙醇溶液、饱和KOH的甲醇溶液、饱和KOH的乙醇溶液、乙醚、乙酸乙酯、丙酮、石油醚的一种或多种按任意配比混合组成。

进一步地，所述步骤2和步骤6中，用洗涤剂进行洗涤，所述洗涤剂由乙醇、甲醇、丙酮、水的一种或多种按任意配比混合组成。