[发明专利]一种柔性超级电容器及其制备方法

说明书

本发明涉及静电纺纳米纤维材料领域，特别是指一种柔性超级电容器及其制备方法。所述柔性超级电容器由平行取向的具有皮芯结构的纳米纤维包芯纱组成，其中碳纤维作为芯纱沿轴向加捻，高取向的纳米纤维作为皮层包覆芯纱，并有大片的氧化石墨烯搭接于纳米纤维上，还将聚苯胺通过电化学沉积在包芯纱线上再用水合肼还原，组装制备成柔性超级电容器。发明得到的纳米纤维包芯纱电极材料，具有较好的取向结构，较细的纤维直径和纱线直径，良好的导电性，电阻率较小，有利于电子的快速传输。

技术领域

本发明涉及静电纺纳米纤维材料领域，特别是指一种柔性超级电容器及其制备方法。

背景技术

超级电容器，又被称为电化学电容器，双电层电容器。超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，其容量可达几百至上千法，是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的元器件。当电极与电解液接触时，由于库仑力、分子间力及原子间力的作用，使固液界面出现稳定和符号相反的双层电荷，称其为界面双层。把双电层超级电容看成是悬在电解质中的2个非活性多孔板，电压加载到2个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。

静电纺纳米纤维包芯纱是由碳纤维作为芯纱、纳米纤维包覆、氧化石墨烯搭接并接枝聚苯胺而成的一种超级电容器电极材料，其中，碳纤维的电阻为5-15Ω/1cm，纳米纤维的直径为100-500nm，单层氧化石墨烯的厚度为0.6 -1.0nm、比表面积为1000-1217m²/g。本专利电极材料组装得超级电容器具有结构稳定、化学性质稳定、电化学性能优异、循环性能好以及比电容量高等优点，在静电纺纳米技术、电子器件等领域将有非常广泛的运用。

发明内容

本发明提出一种柔性超级电容器及其制备方法，解决了现有技术中充放电速度低、可循环次数少、容量小的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种柔性超级电容器，所述柔性超级电容器是由平行取向的具有皮芯结构的纳米纤维包芯纱组成。碳纤维作为芯纱沿轴向加捻，高取向的纳米纤维作为皮层包覆芯纱，并有大片的氧化石墨烯搭接于纤维上。通过电化学沉积将聚苯胺接枝在包芯纱线上并用水合肼还原，组装制备柔性超级电容器。纳米纤维的直径为100-500nm，单层氧化石墨烯的厚度为0.6-1.0nm、比表面积为1000-1217m²/g。本专利电极材料组装得超级电容器具有结构稳定、化学性质稳定、电化学性能优异、循环性能好以及比电容量高等优点，在静电纺纳米技术、电子器件等领域将有非常广泛的运用。

制备这种柔性超级电容器的方法，其特征在于采用如下步骤：

（1）将经过改进的Hummers制备的单层氧化石墨烯加入到无水乙醇溶液中，在常温下搅拌1-20min，再在数控超声波中超声震荡2-24h，得到浓度为0.04-0.1g/100ml的氧化石墨烯溶液。所述的氧化石墨烯的纯度为~99wt%。

（2）将聚偏氟乙烯按照质量分数为10%-20%加入到N,N-二甲基甲酰胺溶液或其与四氢呋喃质量比为1:1 的溶液中，在50-100℃下搅拌3-10h得到聚偏氟乙烯溶液。所述的聚偏氟乙烯的分子量为180000-550000。

（3）将电阻为5-15Ω/1cm的碳纤维装于同轴共轭静电纺丝机，转速为150-300 r/min。

（4）步骤（1）所得聚偏氟乙烯溶液作为纳米纤维纺丝溶液，将步骤（2）所得溶液作为搭接纳米纤维的纺丝溶液。利用自组装静电纺丝装置进行同轴共轭静电纺丝，将聚偏氟乙烯溶液与氧化石墨烯溶液同时纺于碳纤维上，得到捻度为30-60捻/10cm的纳米纤维包芯纱线。聚偏氟乙烯溶液和氧化石墨烯溶液的流量分别0.1-0.5ml/h和1-50ml/h。纺丝电压为10-30 kV，纺丝温度为20-35 ℃，湿度为25-50RH%，喇叭转速0-180 r/min，卷绕速度0-50r/min。