[发明专利]一种金属基碳纤维复合电极的制备方法及其产品和应用

说明书

本发明公开一种金属基碳纤维复合电极的制备方法及其产品和应用，将经过预处理及活化的碳纤维置于溶解有主金属盐、还原剂、缓冲剂的水溶液中，加热反应得到金属/碳纤维复合材料；所得金属/碳纤维复合材料进行进一步电氧化后得到金属基碳纤维复合电极。然后以金属基碳纤维复合电极作为纬线，织物纤维做经线，经机织工艺进行编织制得编织型超级电容器。在不改变碳纤维作为柔性基底的前提下，对其进行化学镀使表面金属化，再利用电氧化在金属镀层上生长电极活性物质。形成原位合成活性材料和导电增强材料的杂化结构，更加利于提升金属氢氧化物与电解质离子传输之间反应动力学，使得电极材料接触电阻减小，提高材料的电化学性能。

技术领域

本发明涉及碳纤维复合电极技术领域，具体涉及一种金属基碳纤维复合电极的制备方法及其产品和应用。

背景技术

为了实现柔性可穿戴电子设备的实用性，制备具有轻质、小体积、高柔性的储能器件迫在眉睫。与传统的基于平面结构的柔性能源存储器件相比，基于纤维电极的超级电容器具有能够实现柔性可穿戴电子设备应用的特点。除此之外，还可根据其可编织性和可裁剪性将纤维基超级电容器通过纺织技术编织成可穿戴的能量织物，而且便于完成大规模的成型工艺。因而，发展具有高能量密度的纤维超级电容器，对实现柔性可穿戴能源存储具有深远的意义。

碳材料是纤维电容器最常用的电极基底具有高比表面积、热稳定性和化学稳定性以及低成本等优点；碳纤维(CF)质轻、比强度高、比刚度高、可设计性强、安全稳定性高，是理想的轻量化高性能材料，然而作为电极材料其应用常受限于较低的电容量。

过渡金属氢氧化物通过可逆法拉第氧化还原存储/释放电荷，具有较高的理论容量，作为一种高理论电容电极材料，近年来受到很多学者关注。研究表明，过渡金属氢氧化物用于超级电容器的自支撑电极具有优异的电容特性。如Ni(OH)₂的理论质量比容量为2585F g^-1，是理想的高容量超级电容器电极材料；然而由于其比表面积小、自身导电性差、平均自由程短和层间离子扩散缓慢等问题，导致倍率性能差，严重阻碍了其高理论电容的实现，特别是在高充放电速率下的电容性能，从而限制了其应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种金属基碳纤维复合电极的制备方法及其产品和应用，在不改变碳纤维作为柔性基底的前提下，对其进行化学镀使表面金属化，再利用电氧化在金属镀层上生长电极活性物质。形成原位合成活性材料和导电增强材料的杂化结构，更加利于提升金属氢氧化物与电解质离子传输之间反应动力学，使得电极材料接触电阻减小，提高材料的电化学性能。

本发明的技术方案之一，一种金属基碳纤维复合电极的制备方法，包括以下步骤：

将经过预处理及活化的碳纤维置于溶解有主金属盐、还原剂、缓冲剂的水溶液中，加热反应得到化学镀后的金属/碳纤维复合材料；所得金属/碳纤维复合材料采用循环伏安法进行进一步电氧化后得到金属基碳纤维复合电极。

进一步地，所述碳纤维的预处理及活化过程具体包括：

预处理：将碳纤维在乙醇中浸泡后晾干得预处理的碳纤维；

活化：将预处理的碳纤维在碱性硼氢化钠溶液中浸渍后晾干，再置于活化液中反应得预处理及活化的碳纤维。

进一步地，所述乙醇中浸泡时间为30min；

进一步地，所述碱性硼氢化钠溶液中NaBH₄浓度为0.2g/L,NaOH浓度为0.04g/L；碳纤维在碱性硼氢化钠溶液中浸泡时间为30min；

进一步地，所述活化液中硫酸镍浓度为0.1mol/L,次亚磷酸钠为0.03mol/L,柠檬酸三钠浓度为0.02mol/L,碳纤维在活化液中反应时间为10min。

预处理的作用为去除碳纤维表面的杂质和油污；