[发明专利]一种纳米纤维基一体化薄膜超级电容器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米纤维基一体化薄膜超级电容器的制备方法，包括以下步骤：将聚乙烯醇(PVA)的水溶液加入纤维素纳米纤维(CNFs)的水分散液中并分散均匀，得到PVA与CNFs的混合液；取异丙醇加入PVA与CNFs的混合液，搅拌均匀后，将混合液通过冻融法得到高离子电导率纳米纤维基水凝胶膜；将导电材料与PVA混合均匀后涂覆在纳米纤维基水凝胶膜两侧，再次通过冻融法形成导电凝胶层，制得纳米纤维基一体化薄膜超级电容器。通过该方法制备得到的一体化薄膜超级电容器具有良好的生物相容性、柔韧性与优异的储电性能，可应用于可穿戴储能器件领域。

技术领域

本发明涉及高分子材料领域，具体涉及一种纳米纤维基一体化薄膜超级电容器及其制备方法。

背景技术

水凝胶是一种具有保水性的三维网络柔性材料，可以吸附电解液作为固态电解质应用到储能领域。纤维素纳米纤维(CNFs)作为一种高长径比与较大的表面活性的天然生物质材料，具有良好的生物相容性，可与高聚物分子链形成缠绕和氢键等物理作用，从而提高复合材料的力学与柔韧性能。

超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的新型储能器件，具有功率密度高、充放电时间短等优势。随着轻质、柔性、甚至可穿戴电子设备的快速发展，为其提供能源的储能装置也需向柔性和高效方向发展。利用纳米纤维基水凝胶膜作为电容器隔膜，导电水凝胶层作为电极，制备一体化柔性超级电容器，可以实现电极材料与电解质的最大接触面积，降低界面效应，提高离子传输效率，其优异的储能性能和良好的力学性能、柔韧性，可应用于可穿戴、便携式储能器件等领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种纳米纤维基一体化薄膜超级电容器及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种纳米纤维基一体化薄膜超级电容器的制备方法，包括如下步骤：

(1)利用冻融法制备纳米纤维基水凝胶膜；

(2)配制导电材料与聚乙烯醇的混合溶液；

(3)将步骤(2)所得混合溶液均匀涂覆在步骤(1)所得纳米纤维基水凝胶膜正反两面上，然后通过冻融法处理上述所得材料，得到以纳米纤维基水凝胶膜为隔膜、膜两面涂覆的导电材料分别作为正负电极的一体化薄膜超级电容器。

聚乙烯醇在步骤(2)中的作用主要是粘结，将导电材料固着到膜表面，使形成的电极不易脱落，成为电极/隔膜/电极一体化储能器件。此外选用与膜主体一致的聚乙烯醇材料降低了电极材料与隔膜的界面效应。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，所述利用冻融法制备纳米纤维基水凝胶膜的具体操作为：向纤维素纳米纤维水分散液中滴加聚乙烯醇水溶液并搅拌均匀，得到纤维素纳米纤维/聚乙烯醇的混合液，取异丙醇加入纤维素纳米纤维/聚乙烯醇的混合液中，利用冻融法，将混合液冷冻-解冻循环4～6次后得到纳米纤维基水凝胶膜。

聚乙烯醇在步骤(1)中的作用是形成水凝胶膜的主体结构。

上述的制备方法，优选的，所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为1％～10％；所述纤维素纳米纤维水分散液中纤维素纳米纤维的质量分数为0.3％～0.5％；纤维素纳米纤维水分散液与聚乙烯醇水溶液的质量比为1:(0.2～3)。聚乙烯醇质量分数低于1％溶液太稀，同体积情况下所成的膜过薄；聚乙烯醇质量分数高于10％，则溶液粘度过高，不易于纳米纤维的分散。纤维素纳米纤维质量分数过高，纳米纤维不易分散均匀；纤维素纳米纤维质量分数过低，不易成膜，此纤维素纳米纤维质量分数范围成膜效果较好。聚乙烯醇比例过大，所得凝胶膜偏硬，柔性降低；纤维素纳米纤维比例过大，所得凝胶膜强度低，易于破裂。