[发明专利]核壳结构的纳米复合物纤维电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种核壳结构的纳米复合物纤维电极及其制备方法和应用。所述核壳结构的纳米复合物纤维电极包括碳纳米管纤维，围绕所述碳纳米管纤维设置的钴镍合金超导网络，以及，围绕所述钴镍合金超导网络设置的金纳米粒子掺杂的氧化锰活性材料层；所述核壳结构的纳米复合物纤维电极的制备方法包括：于碳纳米管纤维上依次生长形成钴镍合金超导网络和金纳米粒子掺杂的氧化锰活性材料层，获得所述纳米复合物纤维电极。通过利用钴镍合金超导网络以及金掺杂MnOx活性材料对导电性的巨大增强等优势提高电极的充放电倍率性能；制备的核壳结构的纳米复合物纤维电极即使在20Vs^‑1的扫速下电容依旧很高。

技术领域

本发明特别涉及一种核壳结构的纳米复合物纤维电极及其制备方法和应用，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

随着便携与可穿戴电子设备微型化需求的快速增长，对高体积能量密度能源贮存设备的需求也越来越大，微型电池对于这种设备来说是一个好的选择，但是因迟缓的充放电过程以及短的循环寿命限制了其长远的发展。微型超级电容器(micro-SCs)，特别是纤维超级电容器(FSCs) 有着体积小、柔性高、可编织性好等优点，因而当其有高能量密度、高倍率快速充放电能力以及更长的使用寿命时是微型电池的一个很好的替代品；然而难点在于如何在不牺牲FSCs功率密度和循环寿命的前提下使其能量密度达到微型电池的水平。因为SCs的能量密度与CV²成正比(E＝1/2CV²，C为电容器电容，V为运行电压)，所以基于高体积比电容电极的非对称 FSCs(AFSCs)的发展是必须的。为此，针对通过两纤维平行或缠绕制备基于过渡金属氧化物/氮化物和导电高分子的AFSCs方法已经做了大量的研究；然而，大量已经报道的基于赝电容材料的AFSCs电极虽然能量密度较高但倍率性能却很差。比如，中山大学余丁山教授团队制备的基于二氧化锰/多孔镍线的纤维电极(Adv.Science 2017，4，1700003)在低倍率时(＜1Vs^-1)展现出较高的能量密度，但是当充放电倍率增加时，它们的电容急剧下降；主要是由于低的电导率以及在快速可逆充放电时氧化还原反应造成的电极不稳定性，这是AFSCs同时实现高体积能量密度与高功率密度的主要难点，特别是在充放电速率超过1V s^-1时。SCs的能量密度取决于电导率和电极高的离子依附表面积；然而，它的功率密度或充放电速率不仅取决于电子导电率还有电极内部的离子转移效率。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种核壳结构的纳米复合物纤维电极及其制备方法和应用，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种核壳结构的纳米复合物纤维电极，包括碳纳米管纤维，围绕所述碳纳米管纤维设置的钴镍合金超导网络，以及，围绕所述钴镍合金超导网络设置的金纳米粒子掺杂的氧化锰活性材料层。

本发明实施例还提供了一种核壳结构的纳米复合物纤维电极的制备方法，包括：于碳纳米管纤维上依次生长形成钴镍合金超导网络和金纳米粒子掺杂的氧化锰活性材料层，获得所述纳米复合物纤维电极。

本发明实施例还提供了由所述方法制备的核壳结构的纳米复合物纤维电极。

本发明实施例还提供了一种全固态同轴非对称柔性超级电容器，包括所述的核壳结构的纳米复合物纤维电极。

本发明实施例还提供了一种如所述全固态同轴非对称柔性超级电容器的制备方法，包括：

在所述电极上包覆凝胶电解液，经干燥后形成电解质，

在所述电解质上包覆中空石墨烯纸。

与现有技术相比，本发明的优点包括：