[发明专利]一种柔性聚苯胺基复合膜及其制备方法、超级电容器

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料领域，特别是涉及一种柔性聚苯胺基复合膜及其制备方法、超级电容器。

背景技术

超级电容器(Supercapacitor，SC)是一类重要的储能装置，由于其与可充电电池相比具有更快的充放速率、更高的功率密度、更长的循环寿命和更低的维护，因此在能源界已引起了广泛的关注。

在设计SC时，电极材料在其性能中起重要作用。设计SC的电极材料时要考虑的主要因素是电容、功率和能量密度、循环寿命和稳定性、倍率性能以及制造成本。聚苯胺(Polyaniline，PANI)是一种有前景的导电聚合物，由于其具有法拉弟(faradaic)赝电容、环境稳定性、低成本、易于可加工性和相对良好的导电性等优点，被广泛应用于SC中。然而，PANI是脆性材料，其循环稳定性低、倍率性能受限，并且由于重复膨胀和由充电/放电过程产生的收缩，其在大电流下具有低功率密度。

为了克服PANI的上述缺点，目前研究较多的PANI基复合材料包括：1.石墨烯与PANI的复合材料，其具有良好的循环稳定性、高能量密度和高功率密度的有点，但随着该类材料的深入研究，发现其具有低的比表面积和低导电性的缺点。2.PANI/石墨烯/银纳米粒子(Silver nanoparticles，AgNPs)的复合材料，该类复合材料是将复合物粉末喷雾涂布于碳纤维纸张上以制造电极，可以推断其所制备的复合物形成的不是柔性膜。且碳纤维纸张成本高，而其活性材料(即PANI)的受限质量负载(～4mg/cm²)使得该复合材料不适用于高能量和高功率应用。也即，虽然具有小的电极质量负载的SC可以具有大的质量-比电容，但却具有低的面积-比电容。3.以纤维素纤维/碳纳米管(carbon nanotube，CNT)膜作为模板，以用于原位合成PANI，该类材料的纤维素纤维/CNT膜上的PANI的质量负载同样受限(～1.3mg/cm²)，进而其无法满足可穿戴电子器件中的高能量和高功率需求。因此，亟需设计一种用于SC的低成本、环保、具有高质量负载且具有长循环寿命。高倍率性能、高功率密度和高能量密度的活性材料。

发明内容

为了弥补上述现有技术的不足，本发明提出一种柔性聚苯胺基复合膜及其制备方法、超级电容器。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种柔性聚苯胺基复合膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)在剥离型石墨、纤维素纤维和硝酸银的存在下原位聚合苯胺得到纳米复合物的混合物，其中，硝酸银与苯胺的质量比为0.05-0.5，剥离型石墨与苯胺的质量比在0.55-0.75之间；

(2)将所述混合物经过真空过滤后进行干燥，得到柔性聚苯胺基复合膜。

优选地，所述步骤(1)中，硝酸银与苯胺的质量比为0.18。

优选地，所述步骤(1)中，剥离型石墨与苯胺的质量为0.65。

优选地，在步骤(1)之前，还包括剥离型石墨的制备步骤：石墨棒先进行电化学剥离，然后在微波中再次进行剥离，以合成剥离型石墨。

优选地，所述剥离型石墨的制备包括如下步骤：

S1、将两个石墨棒分别作为阳极和阴极间隔放置于硫酸钠水溶液中，施加电压以进行阳极的电化学剥离，然后超声处理产物以沉淀石墨粒子；

S2、将石墨粒子在真空中用去离子水洗涤过滤并将滤饼在真空中干燥；

S3、将干燥后的滤饼置于微波中在500-800W的功率下照射石墨粒子20～50秒，以得到所述剥离型石墨。

优选地，在步骤(1)之前，还包括纤维素纤维的如下制备步骤：

A1、将原生纤维纸巾在水中机械化成纸浆，然后在2000-8000rpm的速度下离心，并倒出过量的水，以洗涤且从纤维素纤维去除聚集的纤维和未成纸浆的纤维素纤维；

A2、从纤维素纤维饼的上层相中收集纤维素纤维；

A3、再重复步骤A1中的离心过程和步骤A2两次，以确保收集得到更多的纤维素纤维。

优选地，所述步骤(1)包括如下分步骤：

(1.1)将AgNO₃和剥离型石墨添加到去离子水中，在冰浴下且在100-600W下超声处理5-45分钟；然后添加苯胺，在50-400W下超声处理混合物10-50分钟，得到苯胺/剥离型石墨/AgNO₃混合物；