[发明专利]基于固态电解质石墨烯/MXene复合纤维柔性电极材料及可编织超级电容器的制备方法

说明书

本发明涉及一种基于固态电解质石墨烯/MXene复合纤维柔性电极材料及可编织超级电容器的制备方法，通过改进的Hummers法和刻蚀法制备出高性能的氧化石墨烯和MXene纳米片，利用二者的液晶自组装行为，通过湿法纺丝制备出宏观石墨烯/MXene复合纤维电极材料并将其组装成超级电容器。本发明工艺简单、设备要求低，制备的柔性可编织超级电容器生物相容性好，在具有优异的电化学性能的同时还有良好的柔性和可拉伸性，可广泛应用于便携式、可穿戴电子设备等领域。

技术领域

本发明属于纳米能源材料、炭材料和电容器技术等领域，涉及一种基于固态电解质石墨烯/MXene复合纤维柔性电极材料及可编织超级电容器的制备方法。

背景技术

过去数十年来，随着对高科技电子产品的需求不断增长，在开发灵活、轻便和可穿戴电子设备(例如电子皮肤、智能衣服、显示器和可弯曲智能手机)方面取得了令人瞩目的进步，这些电子设备适用于运动产品、健康监测等领域中的各种应用。通常这些可穿戴电子设备的日常工作，需要具有高电容和快速充电速率的电力存储和供电系统来支持。柔性超级电容器作为一种介于传统电容器和电池之间的新型便携式和可穿戴设备电源，具有高功率密度、宽温度使用范围(-40～70℃)、快速充放电及长循环稳定性等优点，但是由于其较低的能量密度，因此在实际应用中受到了很大的限制。由于决定超级电容器能量密度的关键在于电极材料的选取，其性能的好坏决定了整个超级电容器的性能，因此，迫切需要发展一种在保持功率密度条件下，具有灵活可穿戴和高能量密度的新型柔性超级电容器电极材料。

石墨烯纤维不仅继承了石墨烯自身优异的性能(高导电导热，高机械强度等)，还具有出色的柔韧性和可编织性，因此，在电线电缆、电池、超级电容器和传感器等领域具有很好的应用潜力。但是，受限于当前的制备技术，绝大部分石墨烯纤维都存在各种缺陷，这使得石墨烯纤维的实际性能与理论计算存在较大的差距。

二维MXene材料受益于其固有的2D原子厚拓扑结构，已在各种应用中(尤其是在能量存储中)展示出优异的特性。Ti₃C₂是MXenes系列中的一种典型材料，由于其良好的导电性和高体积电容，在超级电容器电极材料中得到了很大的应用。但是如何将其应用于柔性超级电容器电极材料，仍然存在着很大的挑战。

对于柔性超级电容器而言，关键问题是制备高性能柔性电极材料，然而现阶段主要是将高导电材料通过沉积或枝接等方法包覆在低导电柔性材料表面来兼顾导电性和柔性。例如，专利CN110504109A公开了一种基于纤维线的电极材料制备方法，该法通过将高导电性的硫化镍负载于芳纶或涤纶纤维上制得电极材料并组装成柔性超级电容器。然而此方案中所用的纤维为绝缘有机纤维，牺牲了电极的部分导电性，因此在高性能超级电容器中的应用尚不理想。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于固态电解质石墨烯/MXene复合纤维柔性电极材料及可编织超级电容器的制备方法

技术方案

一种基于固态电解质石墨烯/MXene复合纤维柔性电极材料，其特征在于包括石墨烯和Ti₃C₂；组份为：石墨烯/MXene掺杂材料中MXene的负载量为10～70wt％；所述Ti₃C₂采用阳离子改性处理，表面Zeta电位为正；所述氧化石墨烯表面含有含氧基团，Zeta电位为负。

所述氧化石墨烯平均直径为10～50μm，层数为1～5层。

所述MXene材料的为纳米级薄片，尺寸分布为200nm～20μm。

一种所述基于固态电解质石墨烯/MXene复合纤维柔性电极材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、膨胀石墨制备：