[发明专利]一种基于石墨化有序排列纺丝纤维的自支撑柔性超级电容器的制备方法

说明书

本发明涉及一种基于石墨化有序排列纺丝纤维的自支撑柔性超级电容器的制备方法，利用静电纺丝技术，制备顺排高分子纳米纤维，对纺丝纤维膜进行预氧化，碳化后再进行石墨化处理以更大程度上提高纤维膜的导电性，同时对纤维膜进行电化学沉积聚苯胺后滴涂粘结剂与纤维膜共形成柔性膜片，并组装成柔性超级电容器。

技术领域

本发明涉及一种基于石墨化有序排列纺丝纤维的自支撑柔性超级电容器的制备方法。

背景技术

高性能的可穿戴和便携式电子设备越来越显示其市场价值，为了实现柔性器件的产业化，柔性超级电容器正吸引着人们的高度关注。众多研究人员将碳纳米管薄膜应用在柔性超级电容器中并取得一定成果，但碳纳米管薄膜制作工艺复杂，价格昂贵，这就限制了柔性超级电容器的产业化应用。而静电纺丝技术在制备纳米纤维材料方面具有设备简单、生产成本低等优点，是实现高性能超级电容器电极材料产业化的好方法。但是纺丝纤维膜虽然柔性性能优异，但是导电性较差，近来很多研究人员对其进行高温碳化试图提高纺丝纤维膜的导电性，但一方面碳化温度局限在800℃-1000℃，纺丝纤维膜导电性能依旧不佳，另一方面高温碳化后纺丝纤维膜易脆。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中导电性能与柔性性能不可兼顾、且价格高、易断裂等方面技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种基于石墨化有序排列纺丝纤维的自支撑柔性超级电容器的制备方法，包括：

（1）静电纺丝前躯体溶液的制备：将聚丙烯腈溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，在室温条件下连续搅拌制得静电纺丝前躯体溶液；

（2）有序前躯体纤维膜的制备：将铝箔固定在金属接收辊筒上，通过静电纺丝技术利用所述静电纺丝前躯体溶液，制备有序聚丙烯腈纳米纤维；将所述聚丙烯腈纳米纤维从所述金属接收辊筒上取下，负载在石墨纸上，置于真空干燥器内干燥，制得负载有聚丙烯腈有序纳米纤维的石墨纸；

（3）前躯体纤维的热处理：从真空干燥器内取出所述负载有聚丙烯腈有序纳米纤维的石墨纸，预氧化处理，然后从所述石墨纸上揭下聚丙烯腈有序纳米纤维膜置于真空干燥器内干燥，再将所述聚丙烯腈有序纳米纤维膜进行高温碳化、石墨化后置于真空干燥器内干燥；

（4）石墨化有序纳米纤维的电化学沉积：从真空干燥器内取出所述聚丙烯腈有序纳米纤维膜，通过电化学沉积法在所述聚丙烯腈有序纳米纤维膜上沉积一层聚苯胺；

（5）柔性超级电容器的组装：在所述沉积了聚苯胺的聚丙烯腈有序纳米纤维膜上滴涂聚偏氟乙烯粘结剂，形成柔性膜片，将两片柔性膜片通过电解液组装成柔性超级电容器。

作为本发明的一个优选的实施例，步骤（1）中所述N,N-二甲基甲酰胺和聚丙烯腈的比例为：30mL：4.05g；所述连续搅拌是指用磁力搅拌器连续搅拌12小时。

作为本发明的一个优选的实施例，步骤（2）中所述静电纺丝技术的工艺参数：工作电压为16kv的正压、1kv的负压，推速为0.01mL/min，辊筒转速为1000rpm。

作为本发明的一个优选的实施例，步骤（2）中所述有序聚丙烯腈纳米纤维的厚度控制在50-100μm。

作为本发明的一个优选的实施例，步骤（3）中所述预氧化处理为在马弗炉中升温速率为1℃/min，升到280℃并保温2h，所述高温碳化为氮气环境下800℃碳化，并保温1h，所述石墨化的温度为2800℃，并保温5min。

作为本发明的一个优选的实施例，步骤(4)中所述通过电化学沉积法在所述聚丙烯腈有序纳米纤维膜上沉积一层聚苯胺包括：通过配制1mol/L的稀H₂SO₄与0.1mol/L的苯胺混合溶液，利用0.75V恒电压在所述聚丙烯腈有序纳米纤维膜上沉积一层聚苯胺。