[发明专利]纱线状超级电容器及其两电极一步法电沉积制备方法

说明书

本发明属于储能器件技术领域，特别涉及一种纱线状超级电容器及其两电极一步法电沉积制备方法。本发明首先以导电碳丝作为基材，在其表面静电纺TPU纳米纤维，通过计时电流法将二氧化锰电沉积到导电碳丝表面，最后经过电解液浇筑和管口封装获得集成化、线性纱线状超级电容器；该制备方法可扩展应用于柔性、可穿戴储能器件领域。该方法具有工艺简单，操作方便，材料普遍的优点，在赋予器件线性、柔性、可编制性的同时，可以轻松实现串、并联，赋予储能器件优异的继承性和扩展性的优点。

技术领域

本发明属于储能器件技术领域，特别涉及一种纱线状超级电容器及其两电极一步法电沉积制备方法。

背景技术

随着电子器件的快速发展，电化学储能器件的发展趋于小型化、智能化和个性化，而柔性或可穿戴电子产品正引领着下一代消费电子产品的潮流，超级电容器(SCs)因具有的高功率密度、长循环寿命、高倍率性能快速充放电等优良特性，作为储能装置受到了广泛关注，由于在柔性或可穿戴电子产品方面的显着应用潜力，可穿戴超级电容器正在迅速发展。与传统的二维薄膜超级电容器或织物超级电容器相比，一维结构的超级电容器(纤维/纱线状超级电容器)因为它们具有轻巧、便携和可编织的特性被认为是更有前途的类型，可以满足未来可穿戴电子系统中多功能设备的供电要求。

商用导电碳丝具有高导电性、质量轻、高模量、高比表面积等优点，是制备纤维超级电容器良好的集流体材料选择，其高比表面积能为电化学沉积提供更多位点，但是其疏水性会对电沉积过程产生影响，需要进一步亲水处理；电极材料是决定超级电容器电化学性能的关键因素之一，因此选择使用具有优异性能的电极材料是超级电容器研究的必要条件。目前用于超级电容器的电极材料主要有碳材料、过渡金属氧化物、导电聚合物等，在这些材料中二氧化锰是一种受到广泛关注的过渡金属氧化物，二氧化锰具有资源丰富、价格低廉、环境友好等优点使其成为较为理想的电极材料。

电化学沉积方法能在简单条件下获得纳米尺寸的电极材料，以此方法制备的电极材料不仅可以改变电极的表面积，增加反应活性，同时也会使材料的寿命显著提高；相比于三电极沉积方式，使用两电极沉积方式可以大大减小电解池大小，能够做到在微细环境下进行电沉积。

通过静电纺纱制备的纳米纤维具有高取向性、高孔隙率、绝缘性，因此通过静电纺纱在电极纤维表面制备纳米纤维能够起到良好隔膜作用，同时其高孔隙率能为离子传输提供更多通道；进一步我们发现在集流体表面静电纺纱后，纳米纤维并不会对电沉积过程产生影响，同时由于纳米纤维的保护，通过电沉积产生的二氧化锰难以大面积剥落，这为静电纺纱工艺在纱线状超级电容器中的应用提供了一种全新思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纱线状超级电容器的制备方法，该方法具有工艺简单，操作方便，材料普遍的优点，在赋予器件线性、柔性、可编制性的同时，可以轻松实现串、并联，赋予储能器件优异的继承性和扩展性的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种纱线状超级电容器的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)静电纺丝用纺丝液的制备：

将热塑性聚氨酯(TPU)溶于N-N二甲基甲酰胺溶剂中，热塑性聚氨酯的质量分数为15-25％，室温搅拌12h以上，得到热塑性聚氨酯纺丝液；

(2)导电碳丝的亲水处理：

在特氟龙内衬的高压釜内，将导电碳丝置于5-10mol/L的硝酸溶液中进行水热处理，水热温度为90℃-150℃、水热时间为60-180min；

处理后的导电碳丝用乙醇清洗后，在pH 8-9的条件下在特氟龙内衬的高压釜中进行深度清洗以中和酸性条件，防止导电碳丝被过度腐蚀，深度清洗的温度为100℃-250℃，时间为60-180min，然后在70℃烘箱中干燥过夜；

(3)TPU纳米纤维/导电碳丝纱线的制备：