[发明专利]一种芳纶纤维电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种芳纶纤维电极及其制备方法。芳纶纤维电极的制备方法是将银纳米粒子、碳纳米管、聚吡咯以化学键合方式依次包覆在芳纶纤维的表面，制备芳纶纤维电极，可以将两束芳纶纤维电极与电解质缠绕，得到芳纶纤维电化学电容器。与现有技术制备的聚合物纤维电化学电容器相比，本发明提供的芳纶纤维电化学电容器兼具高比电容、高能量密度、高机械性能、高稳定性、良好的柔性和可穿戴性等特点；制备方法工艺可控，适合大规模应用。

技术领域

本发明涉及纤维电极、电化学电容器及其制备方法，具体涉及一种芳纶纤维电极及其制备方法。

背景技术

随着可穿戴智能设备的快速发展以及对可持续能源的迫切需求，高能量密度纤维电化学电容器以其小型、轻质、柔性、高效、易于集成等优点，显示出巨大的应用前景。纤维电化学电容器由纤维电极和电解质以平行、缠绕、同轴的结构构成，因此其性能很大程度取决于纤维电极材料。为了使可穿戴纤维电化学电容器从概念走向应用，急需开发兼具良好柔性、可穿戴性和优异的电化学性能的高性能纤维电极。

迄今为止，多种纤维被用于制备纤维电容器的电极。其中，碳纤维易碎，不能频繁弯曲且不易于编织；金属纤维（如不锈钢纤维、镍纤维等）虽具有延展性，却质硬、具有塑性；石墨烯纤维和碳纳米管纤维由于成本较高，不适合大规模生产。聚合物纤维由于具有柔性，是制备可穿戴纤维电极的理想材料。

然而，现有的聚合物纤维电极及其电容器存在三个瓶颈。第一，电极的电导率低，导致低能量密度。聚合物纤维一般通过表面包覆碳材料（如碳纳米管、石墨烯等）、导电聚合物（如聚苯胺、聚吡咯等）或过渡金属氧化物（如二氧化锰、氧化锌等）得到电容性能。尽管包覆了电容材料，但是聚合物纤维对电容性能没有贡献，因此聚合物纤维电极的比电容及其电容器的能量密度一般比较低。第二，无机的包覆物和纤维基体之间粘接较差，在多次变形或电化学循环之后包覆层可能脱落造成性能劣化，导致纤维电容器的可穿戴性较差。第三，现有的聚合物纤维电容器的机械性能还不能达到要求。目前，通常用聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚氨酯纤维、棉纤维等作为聚合物纤维电容器的基体，它们的拉伸性能通常很低，主要满足日常生活中的应用，而不适合用于防弹产品等对机械性能有很高要求的领域。

因此，制备兼具优异的电化学性能和良好的柔性、可穿戴性的聚合物纤维电容器依然是一个挑战。在聚合物纤维中，芳纶纤维由于具有出色的机械性能、热性能和耐化学性能，自从诞生以来便受到了巨大的关注。但是，与其他聚合物纤维电容器相同，芳纶纤维电容器的电容性能以及与无机包覆物之间的粘接性的问题仍然有待解决。研制兼具优异的电化学性能、机械性能和良好的柔性、可穿戴性的芳纶纤维电容器具有重要应用价值。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供兼具高比电容、高能量密度、高机械性能、高稳定性、良好的柔性和可穿戴性的芳纶纤维电极及电化学电容器，其制备方法适合大规模应用。

实现本发明目的的技术方案是：

一种芳纶纤维电极的制备方法，包含如下步骤：

（1）将芳纶纤维束浸没在含有盐酸多巴胺和三羟甲基氨基甲烷盐酸盐的水溶液中，反应得到聚多巴胺包覆的芳纶纤维束；

（2）将聚乙烯吡咯烷酮加入银氨溶液中，得到溶液C；将聚多巴胺包覆的芳纶纤维束加入溶液C中，再滴加葡萄糖水溶液，反应得到银纳米粒子包覆的芳纶纤维束；

（3）将银纳米粒子包覆的芳纶纤维束加入含有γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷的水溶液中，反应得到表面带有环氧基的银纳米粒子包覆的芳纶纤维束；

（4）将表面带有环氧基的银纳米粒子包覆的芳纶纤维束加入含有带羧基碳纳米管的乙醇溶液中，反应得到碳纳米管和银纳米粒子双层包覆的芳纶纤维束；

（5）将碳纳米管和银纳米粒子双层包覆的芳纶纤维束加入含有吡咯的水溶液中，再滴加硝酸银水溶液，反应得到芳纶纤维电极。