[发明专利]基于双亲性核壳结构纤维的电化学电容器及其制备方法

说明书

本发明属于储能器件技术领域，具体为一种基于双亲性核壳结构的复合纤维的电化学电容器及其制备方法。本发明的电化学电容器，其中纤维电极采用特殊设计，使得器件在保证结构完整性的同时大大提升了其综合性能：在纤维电极的疏水导电材料内核引入金属纳米颗粒，可加快电子传输，降低器件的内阻；其外包裹亲水导电材料薄膜、复合高电化学活性材料，可促进水系电解液中离子与电极的接触，增大高电化学活性材料的利用率。本发明的电化学电容器比容量高、倍率性能好，并具有很高的能量密度及功率密度。此外，该器件也具有良好的柔性和可弯折性。本发明所制备的电化学电容器，在柔性电子和可穿戴设备领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于储能器件技术领域，具体涉及一种电化学电容器及其制备方法。

背景技术

近年来，可穿戴设备的兴起推动了纤维状能源器件的发展。^[1-3]作为纤维状能源器件的一个重要分支，纤维状超级电容器的直径一般在几十到几百微米之间，可以适应柔性应用场景下的复杂变形，还可以编织成柔软、透气、舒适的织物对各类商用电子设备充电，且充电速度快、使用寿命长，从而受到了学术界的广泛关注。^[4-12]其中，纤维电极是纤维状能源器件的关键部分。通常地，碳纳米材料如碳纳米管和石墨烯经常被用来制备纤维电极，因为碳纳米材料机械强度高、电导率高、比表面积大。^[13-16] 为了实现更高的能量密度和比容量，常用的方法是将碳纳米材料与赝电容性材料如金属氧化物、导电高分子进行复合制备复合纤维电极。^{[16, 17]}然而，由于电化学氧化还原反应过程中，电子供给和离子可接近性无法同时保证，这些赝电容尤其是在大电流下的赝电容没有被完全利用。^[18]因此，迫切需要发展出新型的纤维电极，可以在一根纤维电极上同时实现有效的电子供给和离子可接近性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种综合性能优异的电化学电容器及其制备方法。

本发明提供的电化学电容器，是基于双亲性核壳结构的复合纤维材料的，其制备的具体步骤如下：

（1）高导电电极内核的制备：将疏水的导电材料薄膜，悬置于玻璃片上，再以溅射或蒸镀的方式在疏水的导电材料薄膜上沉积高导电的金属纳米颗粒，控制厚度在5~500nm（优选60-100 nm）内，然后纺成纤维，作为电极内核；

（2）高活性电极外壳的制备：借助等离子体仪或紫外臭氧清洗机处理疏水的导电材料薄膜，处理时间为1~120min（优选3-15 min），得到亲水的导电材料薄膜；用该亲水的导电材料薄膜包裹步骤（1）制备的纤维，再复合高电化学活性材料，得到双亲性核壳结构的复合纤维；

（3）电化学电容器的构建和组装：将步骤（2）制备的复合纤维涂抹上凝胶电解液，稍微晾干后缠绕在一起，再涂抹一次凝胶电解液，即可得到目标电化学电容器。

本发明步骤（1）中，所述的导电材料可采用碳纳米管、石墨烯或碳纤维；沉积的金属为金、铂、银或镍。

本发明步骤（2）中，所述的高电化学活性材料可采用导电高分子、金属氧化物或金属氢氧化物。