[发明专利]芯鞘型柔性石墨烯纤维超级电容器、其制备方法及系统

说明书

本发明公开了一种芯鞘型柔性石墨烯纤维超级电容器，其包括石墨烯纤维芯层，环绕所述芯层设置的聚合物电解质中间层和环绕所述中间层设置的石墨烯纤维鞘层等。本发明还公开了所述超级电容器的直接湿纺制备方法及制备系统。本发明可以一步湿纺制备出具有芯鞘结构纤维的超级电容器，工艺简单易行，效率高，成本低廉，同时本发明超级电容器的比电容和能量密度高，柔韧性好，可编织，易于放大化，可广泛用于能量储存、柔性材料等领域。

技术领域

本发明涉及纤维型超级电容器，尤其涉及一种芯鞘型柔性石墨烯纤维超级电容器、其直接湿纺制备方法及系统。

背景技术

纤维型超级电容器具有体积小，柔韧性好、可编织以及易于集成到各种形状的微型装置中等优点，引发了人们广泛关注。石墨烯纤维是一种由石墨烯薄片组装而成的宏观材料，因其具有良好的力学强度、电导性、柔性可编织等优异性能，这使其在开发非常规、轻量和柔性超级电容器方面具有突出的优势。目前，已有部分学者将石墨烯纤维用于构建缠绕式、平行和同轴结构的纤维型超级电容器。如T.W.Chou(J.L.Yu,et al.Carbon,2017,119,332)将涂覆了H₂SO₄-聚乙烯醇凝胶电解质的两根石墨烯纤维通过加捻形成缠绕式石墨烯纤维超级电容器；H.S.Peng(G.X.Qu,et al.AdvancedMaterials,2016,28,3646)将涂覆了聚乙烯醇/H₃PO₄凝胶电解质的两根空心石墨烯纤维平行连接得到平行结构的石墨烯纤维超级电容器；CN104916453A公开了一种同轴石墨烯纤维超级电容器及其制备方法，采用湿法纺丝技术制备氧化石墨烯纤维，还原后得到石墨烯纤维，随后在石墨烯纤维上依次浸涂修饰聚合物凝胶中间层和氧化石墨烯鞘层，还原并浸涂聚合物电解质后得到同轴石墨烯纤维超级电容器。这些石墨烯纤维超级电容器具有良好的力学强度、柔韧性和可编织性，在可穿戴电子器件领域具有广阔的应用前景。然而其制备过程复杂、凝胶电解质层较厚而且与电极接触面积较小，导致比电容和能量密度较低，从而限制了它广泛的潜在应用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有改善的电化学性能的芯鞘型柔性石墨烯纤维超级电容器、其直接湿纺制备方法及系统，从而克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明实施例提供了一种芯鞘型柔性石墨烯纤维超级电容器，其包括石墨烯纤维芯层，环绕所述芯层设置的聚合物电解质中间层和环绕所述中间层设置的石墨烯纤维鞘层。

本发明实施例还提供了一种芯鞘型柔性石墨烯纤维超级电容器的直接湿纺制备方法，其包括：将由纺丝液形成的第一液流、由凝胶电解质水溶液形成的第二液流、由纺丝液形成的第三液流同时注入凝固浴，且使第一液流环绕第二液流分布，第二液流环绕第三液流分布，从而形成芯鞘型柔性石墨烯纤维超级电容器；其中，所述纺丝液包含均匀分散的氧化石墨烯及还原剂，所述凝胶电解质水溶液包含高分子聚合物。

本发明实施例还提供了由前述方法制备的芯鞘型柔性石墨烯纤维超级电容器。

本发明实施例还提供了应用于前述直接湿纺制备方法的芯鞘型柔性石墨烯纤维超级电容器制备系统，其包括：

纺丝针头，其包括用以分别挤出第一液流、第二液流、第三液流的第一液流通道、第二液流通道和第三液流通道，所述第一液流通道环绕第二液流通道分布，第二液流通道环绕第三液流通道分布；

凝固浴，其用以同时接收所述纺丝针头挤出的第一液流、第二液流和第三液流。

较之现有技术，本发明至少具有如下有益效果：

1、本发明可以一步湿纺出具有芯鞘结构的石墨烯纤维超级电容器，工艺简单易行，并且芯鞘纤维的产生速度快，效率高，可以连续生成。