[发明专利]一种基于杂化纤维电极的全固态超级电容器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于杂化纤维电极的全固态超级电容器及其制备方法，所述超级电容器以GO/CNT‑TPU杂化纤维为电极，表面涂覆凝胶电解质并缠绕组装获得。本发明制备方法成本低，过程简单，适用于大规模生产。所得杂化纤维电极具有较好的力学性能和电化学性能，所得纤维状全固态超级电容器具有较好的电化学稳定性和可编织性，有望应用于柔性储能和可穿戴设备领域。

技术领域

本发明属于电容器材料及其制备领域，特别涉及一种基于杂化纤维电极的全固态超级电容器及其制备方法。

背景技术

近些年来，柔性电子和可穿戴电子设备的快速发展对储能器件提出了更高的要求。为了满足柔性织物状电子装备的使用需求，储能器件也应当具有相似的织物或纤维形状、突出的柔性、力学稳定性以及轻质等特点。作为重要的储能设备，超级电容器具有高功率密度、快速充放电、结构简单、循环稳定性好等优点，这使得超级电容器在可穿戴织物电子领域具有较大的应用前景。

在众多形状的超级电容器中，纤维状超级电容器因其更易于编织而收到广泛关注。目前，金属线、碳纤维、碳纳米管纤维、石墨烯纤维等都已经成功被应用为纤维状超级电容器电极材料。碳纳米管纤维自从2000年首次被报道以来，因其轻质、优越的柔性、突出的力学性能以及较大的比表面积在超级电容器领域得到广泛应用。Cheng等人基于化学气相沉积法制备了以碳纳米管纤维为基材的非对称纤维状超级电容器，其体积能量密度可达11.3mWh/cm³(The Journal of Physical Chemistry C,2016,120,9685-9691)。同时为了赋予纤维器件可拉伸性能，Yang等人在弹性聚合物纤维基底表面包覆了碳纳米管阵列，拉伸应变为75％循环100次后电化学性能仍能保持95％以上(Angewandte ChemieInternational Edition,2013,52,13453-13457)。但不论是碳纳米管纤维电极还是可拉伸器件，其制备方法都较复杂，成本较高，限制了其在实际生产中的大规模应用。

CN108054442A公开了一种利用丝网印刷技术制备织物状水系锂电池的方法，运用此方法制备的织物状水系锂电池具有一定的局限性。首先，通过丝网印刷技术将活性物质涂敷在织物表面，使得活性物质较易脱落；其次，此锂电池不具有可拉伸性，难以满足各类可穿戴器件的不同需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于杂化纤维电极的全固态超级电容器及其制备方法，克服了现有可穿戴器件中电极活性物质与织物基底结合不牢固，易脱落以及不可拉伸的缺陷。本发明通过超声及加热搅拌方法制备得到氧化石墨(GO)、碳纳米管(CNT)以及聚氨酯(TPU)均匀分散的纺丝液，再利用湿法纺丝技术制备得到GO/CNT-TPU杂化纤维。以该杂化纤维为电极，表面涂覆凝胶电解质并缠绕组装得到纤维状全固态超级电容器。

本发明的一种杂化纤维，所述纤维为氧化石墨GO/碳纳米管CNT-聚氨酯TPU杂化纤维；将包含氧化石墨GO、碳纳米管CNT、聚氨酯TPU的纺丝液进行纺丝获得。

所述氧化石墨GO/碳纳米管CNT-聚氨酯TPU杂化纤维具体结构为多孔纤维。

所述碳纳米管与氧化石墨的质量比为5:1～5:2；聚氨酯与氧化石墨质量比为200:1～100:1。

本发明的一种杂化纤维的制备方法，包括：

(1)将氧化石墨GO分散在溶剂中，超声，得到氧化石墨分散液；

(2)将步骤(1)分散液中加入碳纳米管CNT，在冰水浴环境下超声，然后加入聚氨酯TPU，加热，搅拌并冷凝回流，冷却至室温，得到GO/CNT-TPU纺丝液，进行湿法纺丝，得到杂化纤维。

上述制备方法的优选方式如下：

所述步骤(1)中氧化石墨分散液的浓度为1～2mg/mL；溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。