[发明专利]基于石墨烯/碳纳米管复合织物电极的超级电容器及制备

说明书

本发明涉及一种基于石墨烯/碳纳米管复合织物电极的超级电容器及其制备，该超级电容器包括织物电极、基底以及凝胶电解质，其中织物电极中的石墨烯层和碳纳米管通过共价键连接，且织物中的单根纤维由于石墨烯/碳纳米管的共价连接方式，具有独特的管状结构，能够在管内外进行各种功能化。与现有技术相比，本发明在管内外进一步生长了导电高分子聚苯胺，用于制备柔性、透明、可拉伸的全固态超级电容器，器件的可拉伸性达到200％、透光率为46％。本发明的共价连接石墨烯/碳纳米管织物电极在柔性电子器件领域具有广泛的应用价值；所发明的柔性、透明、可拉伸超级电容器在便携可穿戴器件领域具有很大的应用前景。

技术领域

本发明涉及可穿戴储能器件技术领域，具体涉及一种基于石墨烯/碳纳米管复合织物电极的超级电容器及制备。

背景技术

随着可穿戴电子设备在显示器、传感器、健康管理等领域的蓬勃发展，基于织物电极结构的柔性可穿戴储能器件因其优异的柔性和可编织性引起了广泛关注。织物状超级电容器因其超高的功率密度、长的循环寿命和超高安全性，是当前柔性可穿戴储能器件中的研究热点。

碳纳米管、石墨烯具有优异的电学、热学及力学性能和大的比表面积，被广泛用作柔性可穿戴超级电容器的电极材料。但是，无论是碳纳米管还是石墨烯在制备过程中极易发生团聚，导致所制备的超级电容器的电化学性能远低于预期。最近，一些研究者报道了一种共价连接的石墨烯/碳纳米管杂化材料，其中有序取向的碳纳米管支撑石墨烯片层，能够有效抑制石墨烯或碳纳米管的团聚，并且能促进电荷在石墨烯和碳纳米管之间的传输。目前大部分报道的基于共价连接的石墨烯/碳纳米管复合物的超级电容器为平面结构，还没有基于织物状的共价连接的石墨烯/碳纳米管复合物的柔性超级电容器的相关报道。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种柔性好、光学透明的基于石墨烯/碳纳米管复合织物电极的超级电容器及制备。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于石墨烯/碳纳米管复合织物电极的超级电容器，该超级电容器包括两个电极以及设置在两个电极之间的电解质，每个所述电极包括石墨烯层、生长在石墨烯层表面的碳纳米管以及生长在石墨烯/碳纳米管复合物上的聚苯胺，所述碳纳米管通过共价键连接在石墨烯层的表面，所述电解质涂敷在织物电极材料上。

本发明通过共价键将石墨烯层和碳纳米管连接在一起，可以有效地抑制碳纳米管和石墨烯的团聚现象，提供了大的比表面积。另外，共价连接的石墨烯和碳纳米管，能有效促进电荷或离子在石墨烯和碳纳米管之间的传输。在石墨烯/碳纳米管织物表面生长聚苯胺，进一步提升所制备的超级电容器的容量。相比于传统的平面状电极材料，基于织物结构电极的超级电容器具有良好的透光性。

优选的，所述的基底为硅橡胶，所述基底的厚度为1～5mm。

优选的，所述的电解质为聚乙烯醇/磷酸凝胶电解质，其中，聚乙烯醇的浓度为0.04～0.15g/mL，所述磷酸的浓度为0.04～0.15g/mL，制备时，先将0.8～1.5g聚乙烯醇溶解于10～20mL水中，在室温下搅拌10～20h，再在80～90℃下搅拌1～2小时。待形成均匀的透明溶液后加入0.8～1.5g的磷酸，继续搅拌1～2小时即得均匀聚乙烯醇凝胶电解质。

一种如上所述基于石墨烯/碳纳米管复合织物电极的超级电容器的制备，

(1)通过化学气相沉积法在镍网上生长石墨烯，然后通过电子束蒸发的方式在石墨烯的表面镀上催化剂和缓冲层，然后通过化学气相沉积法在石墨烯表面生长碳纳米管，得到生长有石墨烯/碳纳米管的镍网；缓冲层的作用在于支撑碳纳米管在石墨烯表面以阵列形式生长；

(2)通过化学刻蚀法将生长有石墨烯/碳纳米管的镍网中的镍进行刻蚀，得到石墨烯/碳纳米管织物，然后转移至基底上；

(3)利用电化学沉积法，在石墨烯/碳纳米管织物表面生长聚苯胺，得到电极；