[发明专利]一种碳纳米管—聚苯胺—明胶半互穿网络柔性电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种碳纳米管—聚苯胺—明胶半互穿网络柔性电极及其制备方法和应用，将具有良好赝电容的植酸处理的聚苯胺在高导电的碳纳米管原位生长将其包覆，引入线圈结构的明胶中，利用霍夫梅斯特效应，用硫酸铵溶液直接浸泡制备得到碳纳米管‑聚苯胺/明胶半互穿网络高强柔性电极，使该柔性电极兼具良好的机械力学特性与电化学储能特性，在柔性、可穿戴储能器件领域有着良好应用前景。

技术领域

本发明属于电极技术领域，更加具体地说，涉及一种碳纳米管-聚苯胺/明胶半互穿网络柔性电极及其制备方法和应用。

背景技术

随着柔性电子学的发展，可穿戴电子设备正在飞速进入人们的生活。为了实现可穿戴器件的产品化，其供能部件也需要柔性化和高性能化，因此，高性能的柔性储能器件将越来越显示出其潜在的市场价值。受到广泛关注。然而，超级电容器在遭受弯曲变形以后，高分子电解质层保持良好，电极材料结构往往被破坏，储能特性下降。电极材料力学性能的欠缺严重限制了超电容在柔性可穿戴领域的应用，因此，兼具力学特性与储能特性的柔性超级电容器的研制，仍然面临巨大的挑战。

尽管碳基材料导电性能优良、比表面积高且机械性能良好，但柔性碳电极抗拉强度低、断裂伸长率低且比容量低。基于柔性高分子水凝胶的柔性电极材料，存在合成过程复杂等缺点，且其使用的交联剂大多数原料昂贵且具有毒性，其实际应用受到限制。明胶为环境友好型材料，无污染；从经济角度考虑，该方案省去很多中间过程，一步制得柔性水凝胶，节省了许多成本，且其来源丰富、价格低廉。但明胶这种大分子亲水胶体获得的水凝胶断裂伸长率低，抗拉强度也较低，将明胶水凝胶直接浸泡在硫酸铵中，通过霍夫梅斯特效应能够有效提高明胶水凝胶的机械强度。通过在高强度明胶水凝胶中引入聚苯胺与碳纳米管，增强电极的强度与韧性，并使电极具有良好的电化学性能。同时，选择植酸作为交联剂，使苯胺上的醌氮质子化，从而形成凝胶网络。这种方法无需对原料进行修饰，也不需添加任何化学交联剂，通过简单的操作便能够大幅增强柔性电极材料的机械性能，使其在柔性、可穿戴储能器件领域有着良好应用前景，并有望用于大规模工业生产。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种碳纳米管—聚苯胺—明胶半互穿网络柔性电极及其制备方法和应用，将具有良好赝电容的植酸处理的聚苯胺在高导电的碳纳米管原位生长将其包覆，引入线圈结构的明胶中，利用霍夫梅斯特(Hofmeister)效应，用硫酸铵溶液直接浸泡制备得到碳纳米管-聚苯胺/明胶半互穿网络高强柔性电极，使该柔性电极兼具良好的机械力学特性与电化学储能特性，在柔性、可穿戴储能器件领域有着良好应用前景。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

一种碳纳米管—聚苯胺—明胶半互穿网络柔性电极及其制备方法，按照下述步骤进行：

步骤1，碳纳米管—聚苯胺的制备

将碳纳米管均匀分散在水中形成碳纳米管的悬浊液，再向悬浊液中加入苯胺和植酸并均匀分散形成反应液，再向反应液中加入引发剂，在搅拌冰浴条件下进行反应，得到碳纳米管—聚苯胺，苯胺和碳纳米管的质量比为(5—20)：1，植酸和苯胺的体积比为(1—3)：1；

在步骤1中，采用超声搅拌或者机械搅拌进行均匀分散，搅拌速度为200—500转。

在步骤1中，将碳纳米管均匀分散在水中，分散时间为30—120min，浓度为0.01-0.03g/ml。

在步骤1中，苯胺和碳纳米管的质量比为(10—16)：1，植酸和苯胺的体积比为(1.5—2)：1。

在步骤1中，引发剂为过硫酸铵或者过硫酸钾，引发剂和苯胺的摩尔比为(0.05—0.1)：1，如使用引发剂水溶液方式添加引发剂，引发剂的浓度为0.5-2mmol/L。

在步骤1中，在搅拌冰浴条件下进行反应10—120s，并在冰浴条件下静置8-16小时。