[发明专利]具有双功能保护层的水系锌锰电池纤维及其制备方法

权利要求书

1.一种具有双功能保护层的水系锌锰电池纤维的制备方法，其特征在于，该电池纤维由两根碳纳米管纤维电极相互缠绕形成缠绕结构并注入液态电解质经封装组成；其中，作为正极的一根碳纳米管纤维均匀负载有二氧化锰/碳纳米管薄膜/PEDOT复合材料，作为负极的一根碳纳米管纤维均匀沉积有锌的碳纳米管纤维；所述碳纳米管薄膜为充放电过程中的电子输送提供连续的导电通道，并增强电池纤维的机械稳定性，原位合成的PEDOT用于增强碳管薄膜和二氧化锰的接触，减少活性物质的不良溶解，从而提高电导率；

该方法具体步骤为：

（1）CM的制备：在柔性碳纳米管纤维衬底上电沉积纳米结构的二氧化锰，制备CM纤维电极；控制二氧化锰的负载量为1-2 mg/cm²；

（2）CMC的制备：以铁/氧化铝为催化剂，采用化学气相沉积法在硅衬底上制备宽度为0.5-2 cm的可纺碳纳米管阵列；将步骤（1）制备的CM纤维的两端连接在电机上，将制备好的可纺碳纳米管阵列固定在一个精确机动的平移台上；从可纺碳纳米管阵列中抽出一层厚度为16-20 nm、宽度为0.5-2 cm的连续、取向的碳纳米管薄膜，并以10-30°的角度附着在CM纤维上；排列整齐的碳纳米管薄膜缠绕层数为3~8层，均匀覆盖整个CM纤维，采用纺丝机对取向碳纳米管薄膜进行包裹；

（3）CMCP的制备：在含有0.02-0.04 mol/L3,4-乙烯二氧噻吩、0.1-0.2 mol/L高氯酸锂和0.05-0.08 mol/L十二烷基硫酸钠的水溶液中，在1.0 V电位下相对于饱和甘汞电极作用10-15 s，然后在CMC纤维电极上电沉积PEDOT，得到CMCP纤维电极；

（4）柔性锌负极的制备：采用电沉积方法在柔性碳纳米管纤维上制备柔性锌负极；

（5）纤维锌-二氧化锰全电池的组装：将CMCP纤维正极与纤维锌负极匹配，在1~ 3mL的2-4 M ZnSO₄和0.1-0.4 M MnSO₄水溶液的电解液中组装纤维锌-二氧化锰电池，然后用EVA热缩管包装。

2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述在柔性碳纳米管纤维衬底上电沉积纳米结构的二氧化锰，是在室温下、在含有0.1-0.3 mol/L 醋酸锰和0.1-0.2mol/L 硫酸钠溶液中进行电沉积，其中铂电极作为对电极，银/氯化银电极为参比电极；采用阶跃电压法电沉积模式，通过Mn²⁺ + 2H₂O = MnO₂+ 4H⁺ + 2e^-反应，生成二氧化锰。

3. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述采用化学气相沉积法在硅衬底上制备宽度为0.5-2 cm的可纺碳纳米管阵列，具体做法为，分别以乙烯作为碳源、氩气作为载气、氢气作为还原气，在700-760℃的化学气相沉积炉中反应10-15分钟；其中，控制乙烯流量为80-100 sccm，氩气流量为350-450 sccm，氢气流量为20-40 sccm。

4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述制备柔性锌负极，具体做法是，采用双电极设置，其中以锌棒作为对电极和参比电极；在1-2 mol/L硫酸锌和1-2mol/L氯化钾的溶液中，在-0.8 V电位下对锌棒进行电沉积，电沉积时间为800-1500 s。

5. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管纤维基底采用如下方法制备：以乙醇作为碳源，氩气作为载气，氢气作为还原气体，以噻吩和二茂铁作为催化剂，通过浮动催化化学气相沉积法合成浮动碳纳米管纤维，并将多股直径为100-250 μm的碳纳米管纤维直接加捻成柔性碳纳米管纤维；其中，乙醇浓度 95 wt %，氩气流量为150-250sccm，氢气流量为1800-2300 sccm；噻吩浓度为1-2 wt %，二茂铁浓度为1-2 wt %。