[发明专利]针状聚苯胺/煤基碳纳米纤维柔性超级电容器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及针状聚苯胺/煤基碳纳米纤维柔性超级电容器的制备方法。

背景技术

随着便携电子设备（例如手机、笔记本电脑、数码相机）发展的越来越多功能化，具 有快速充放电、大容量的柔性超级电容器已成为人们研究的热点。电极材料是超级电容器 的重要组成部分，决定超级电容器的性能。超级电容器电极材料主要包括以双电层为储能 结构的碳材料和以法拉第反应产生赝电容的金属氧化物、氢氧化物及导电聚合物。碳材料 电容量一般较低，但其循环稳定性高。而金属氧化物和导电聚合物虽容量密度高但其柔性 和循环稳定性较差。

在众多碳材料中，碳纳米纤维是近年来人们比较关注的新型材料之一。碳纳米纤 维具有低密度、轻质、热稳定性好、比表面积高、耐腐蚀、导热与导电性强等优点。其中，电纺 碳纳米纤维具有成本低且易于大批量生产的特点而备受人们的关注。但是，静电纺丝法制 备的聚丙烯腈基碳纳米纤维本身虽具有一定的柔性，但其柔性不强。因此，我们利用在聚丙 烯腈溶液中加入酸处理煤通过静电纺丝法制备的煤基碳纳米纤维具有较强的柔性，这为柔 性超级电容器的制备提供很好的载体。柔性超级电容器在组装过程中无需添加导电剂和高 分子粘合剂避免了由此引起的电容损失。柔性煤基碳纳米纤维电极材料成本较低，且循环 性稳定。但煤基碳纳米纤维用于超级电容器时表现出的能量密度较低，应用受到一定的限 制。聚苯胺作为超级电容器的赝电容电极材料一直备受关注。该材料具有高电活性、高掺杂 度、高比容量等优点。然而，其较差的循环性能限制了其在超级电容器中的应用。将煤基碳 纳米纤维与聚苯胺赝电容材料进行复合，利用两种材料各自的优势，可以有效提高复合材 料的电化学性能，有望制备性能优异的柔性超级电容器。

发明内容

本发明的目的在于提供针状聚苯胺/煤基碳纳米纤维柔性超级电容器的制备方 法。

针状聚苯胺/煤基碳纳米纤维柔性超级电容器的制备方法，包括以下组分：煤基碳 纳米纤维，苯胺单体，过硫酸铵，2mol/L硫酸。

所述煤基碳纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

（1）煤的酸化处理：先将黑山原煤粉碎后用低速大磨盘振动磨样机磨成颗粒大小约200 目的粉末。取10g粉末状原煤，置入5L塑料烧杯中。将浓硫酸和浓硝酸以3：1的比例配制成 混酸，在通风橱中将240mL混酸在冰浴中倒入塑料烧杯中，用玻璃棒将生成的糊状物搅匀， 将4.5L水小心加入烧杯中，将酸液稀释，静止过夜。抽滤洗涤，将滤纸上的产物溶于DMF溶 剂中，放入烘箱60℃烘干，用研钵将其研成粉末，最终得到黑棕色酸处理煤；（2）静电纺丝： 取1g聚丙烯腈，加入10mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)，将该溶液封口后，搅拌至均相溶液。 将1g煤加入该溶液中，搅拌三天，至形成均一的黑色粘稠液体。将纺丝液置入10mL连有平 头22号不锈钢点胶针头的注射器中，将此注射器安装在静电纺丝机的注射泵上，连接正极 高压和负极高压。在正高压15kV，负高压2kV左右的条件下进行纺丝，纺丝结束后可以得 到颜色呈黄褐色的前驱体纤维布；

（3）纤维热处理：将得到的前驱体纤维布用四个小号票夹固定在长8cm，宽4cm的瓷舟 上，以保证预氧化时能够保持一定张力，在马弗炉中，以1℃/min的升温速率升至280℃/ min，保温3h，得到预氧化丝。将预氧化的纤维布置于程序控温高温管式炉中，在CO₂环境 下，以5℃/min的升温速率升至800℃,保温2h,冷却至室温，得到煤基碳纳米纤维。

1．针状聚苯胺/煤基碳纳米纤维柔性超级电容器的制备方法，其特征在于包括如 下步骤：

步骤（1）：称取0.25g煤基碳纳米纤维于250mL烧杯中，慢慢注入100mL混酸，然后在 室温下振荡3天，对煤基碳纳米纤维进行活化处理；反应结束后，对混合液进行抽滤，并用蒸 馏水多次洗涤直至滤液呈中性；最后将活化处理的产物60℃下干燥24h；