[发明专利]基于MXene/PANI的高容量线性超级电容器电极的制备方法

说明书

本发明属于柔性可穿戴储能设备领域，具体涉及一种基于MXene/PANI的高容量线性超级电容器电极的制备方法，将MXene分散液与苯胺的盐酸溶液按比例混合后，在低温下自组装生成MXene/PANI复合材料，再将该材料加入少量去离子水研磨成浆料涂敷在玻璃板上制备复合薄膜，并经冷冻干燥，使用胶带剥离，再通过电机加捻将薄膜制备成线性电极。本发明的线性超级电容器由于MXene和PANI材料在酸性电解液中都能表现额外的赝电容，且相比于湿法纺丝过于紧密的电极结构，机械加捻后电极有更为丰富的孔隙，带来了更高的活性表面积。此外，解决了MXene成膜后脆性较大，机械性能较差的问题。

技术领域

本发明属于柔性可穿戴储能设备领域，具体涉及一种基于MXene/PANI的高容量线性超级电容器电极的制备方法。

背景技术

随着可穿戴电子设备的普及，对于传统储能设备的需求也向着小体积和轻量化发展，例如纤维超级电容器。作为传统储能器件，超级电容器具有快速充放电能力、高功率密度和长寿命等性能。而作为柔性可穿戴设备，则需要有额外的机械性能以及在弯折条件下，各种户外环境下都能够正常工作的特性。

从电极材料的角度来说，具有良好的电化学性能，同时能够保持轻质、柔性和耐磨性的材料是柔性可穿戴储能设备的首选，常见的如二维过渡金属碳化物(MXene)以及石墨烯类材料，在过往的研究中，MXene被应用于超级电容器的电极材料，主要因为其良好的导电性以及在酸性电解液中能够表现出额外的赝电容，但使其作为柔性电极来说，其机械性能较差，以往惯用的真空抽滤成膜方法，制备所得的MXene薄膜不具有良好的韧性，这限制了其作为柔性器件的电极材料。而石墨烯类材料，具有良好的柔韧性，但限制其性能的关键在于无法提供较高的容量，这就使得在单位电容下需要更高的质量或者更大的面积，这不符合轻便化的需求。因此需要结合两者的优点，例如CN 107680824 A构建了MXene/rGO复合电极，该专利指出随着还原氧化石墨烯添加比例增加复合材料的柔韧性变好，但是随着rGO比例增加容量会有严重下降，MXene:rGO的比例从9:1下降到7:1体积比电容下降75％(600Fcm^-3到200F cm^-3)。

为了解决容量较低的问题，CN 109273273 A利用PANI，GO，PEDOT复合，为了利用PANI，PEDOT这类导电弹性体材料在酸性电解液中额外的赝电容提升整体比容量，但是从其CV(循环伏安曲线)图形中可以看出，该材料的倍率性能极差，因为在5mV s^-1的扫速下材料已经完全失去了类矩形的形状，且没有显现出赝电容反应的氧化还原反应峰。

由于MXene成膜后较脆，机械性能较差，对膜的加捻过程可能会使膜碎裂，因此会利用湿法纺丝来制备纤维电极例如CN 107680824 A，从扫描电子显微镜图像可以看出湿法纺丝的纤维电极内部结构十分紧实，这也降低了电极的比表面积，加大了离子在电极内部扩散的难度，限制了其倍率性能。

发明内容

本发明提供了一种基于MXene/PANI的高容量线性超级电容器电极的制备方法，利用MXene和苯胺在低温下自组装形成MXene/PANI材料，两者都能在酸性电解液中表现出额外的赝电容，复合后整体比容量极高，同时PANI具有良好的柔性，MXene具有良好的导电性。用该材料作为纤维超级电容器的电极材料表现了出色的柔韧性，配合H₂SO₄电解液经过测试发现其具有良好的电化学性能，这种纤维超级电容器是未来理想的柔性可穿戴储能设备。

本发明提供的基于MXene/PANI的高容量线性超级电容器电极的制备方法，其具体工艺步骤如下：

(1)将氟化锂加入浓度为6～9mol/L，体积为10～30ml的盐酸中搅拌均匀，再缓慢加入前驱体MAX，其中，氟化锂与前驱体MAX的质量比为1:1，40℃搅拌24小时后清洗烘干获得MXene粉末，将所得MXene粉末加入去离子水配成10mg/ml悬浊液，在氩气保护气氛以及冰浴环境下以600W～900W超声粉碎后将所得溶液离心，取上层清液得到MXene单分散液。