[发明专利]纤维型平行结构柔性石墨烯纤维超级电容器、制法及系统

说明书

本发明公开了一种纤维型平行结构柔性石墨烯纤维超级电容器，其包括石墨烯纤维芯层，环绕所述芯层设置的聚合物电解质层，以及，与所述聚合物电解质层一侧平行肩并肩并股设置的平行石墨烯纤维层等。本发明还公开了所述超级电容器的制备方法及制备系统。本发明采用一步法制备工艺，将三股不同的纺丝液通过自制的纺丝头直接湿纺制备纤维状超级电容器，可以一步湿纺制备出具有平行结构的柔性石墨烯纤维超级电容器，工艺简单易行，效率高，成本低廉，同时本发明超级电容器的比电容和能量密度高，柔韧性好，可编织，易于放大化，且电容器比电容高，可广泛用于能量储存、柔性材料等领域。

技术领域

本发明涉及纤维型超级电容器，尤其涉及一种纤维型平行结构柔性石墨烯纤维超级电容器、其制备方法及系统，属于功能能源器件技术领域。

背景技术

随着电子信息技术的迅猛发展，人们对电子产品的轻量化和柔性化有着越来越高的要求，与之相关的产品开发也受到业界广泛关注，同时，作为电子产品和智能产品内部不可或缺的传输通道的导电纤维也急需向功能化、智能化、弹性、柔性等方面发展。纤维型超级电容器具有体积小，柔韧性好、可编织以及易于集成到各种形状的微型装置中等优点，引发了人们广泛关注。石墨烯纤维是一种由石墨烯薄片组装而成的宏观材料，因其具有良好的力学强度、电导性、柔性可编织等优异性能，这使其在开发非常规、轻量和柔性超级电容器方面具有突出的优势。目前，已有部分学者将石墨烯纤维用于构建缠绕式、平行和同轴结构的纤维型超级电容器。如T.W.Chou(J.L.Yu,et al.Carbon,2017,119,332)将涂覆了H₂SO₄-聚乙烯醇凝胶电解质的两根石墨烯纤维通过加捻形成缠绕式石墨烯纤维超级电容器；H.S.Peng(G.X.Qu,et al.AdvancedMaterials,2016,28,3646)将涂覆了聚乙烯醇/H₃PO₄凝胶电解质的两根空心石墨烯纤维平行连接得到平行结构的石墨烯纤维超级电容器；中国专利文献CN 104916453A公开了一种同轴石墨烯纤维超级电容器及其制备方法，采用湿法纺丝技术制备氧化石墨烯纤维，还原后得到石墨烯纤维，随后在石墨烯纤维上依次浸涂修饰聚合物凝胶中间层和氧化石墨烯鞘层，还原并浸涂聚合物电解质后得到同轴石墨烯纤维超级电容器。这些石墨烯纤维超级电容器具有良好的力学强度、柔韧性和可编织性，在可穿戴电子器件领域具有广阔的应用前景。然而，传统的制备平行结构的电容器的过程复杂，需要分步独立完成，一般是首先通过湿纺、化学还原干燥得到石墨烯纤维，然后将石墨烯纤维的外层涂覆凝胶，然后再将两根涂覆凝胶的石墨烯纤维并联起来，操作复杂；并且，在纤维外层涂覆电解质的过程中，为了防止发生器件的短路，会涂覆过量的凝胶，凝胶电解质层的厚度偏厚，增大了器件的内阻，导致比电容和能量密度较低，影响器件的电学性能，从而限制了它广泛的潜在应用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种纤维型平行结构柔性石墨烯纤维超级电容器、其一步湿纺制备方法及系统，从而克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明实施例提供了一种纤维型平行结构柔性石墨烯纤维超级电容器，其包括石墨烯纤维芯层，环绕所述芯层设置的聚合物电解质层，以及，与所述聚合物电解质层一侧肩并肩平行并股设置的平行石墨烯纤维层。

本发明实施例还提供了一种纤维型平行结构柔性石墨烯纤维超级电容器的制备方法，其包括：

将由纺丝液形成的第一液流、由凝胶电解质水溶液形成的第二液流、由纺丝液形成的第三液流同时注入凝固浴，且使第二液流环绕第一液流分布，第三液流与第一液流、第二液流形成的同轴液流体相并联平行设置，从而形成纤维型平行结构柔性石墨烯纤维超级电容器；其中，所述纺丝液包含均匀分散的氧化石墨烯及还原剂，所述凝胶电解质水溶液包含高分子聚合物。本发明实施例还提供了由前述方法制备的纤维型平行结构柔性石墨烯纤维超级电容器。

本发明实施例还提供了应用于前述制备方法的纤维型平行结构柔性石墨烯纤维超级电容器制备系统，其包括：