[发明专利]一种纳米纤维基柔性阵列结构电极及其制备方法

说明书

本发明涉及电化学材料技术领域，尤其涉及一种纳米纤维基柔性阵列结构电极及其制备方法。该电极由内层纺丝溶液和外层纺丝溶液经静电纺丝、碳化、水热生长和电沉积制得，所述内层纺丝溶液中包括聚丙烯腈(PAN)、精对苯二甲酸(PTA)、酸化碳纳米管(AC‑MWNTs)和溶剂，所述外层纺丝溶液中包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、无机锌盐、精对苯二甲酸和溶剂。其制备方法增加了碳纤维柔性，并且，ZnO可以直接在同轴纺丝过程中加入前驱体中，使纳米ZnO均匀且牢固地负载于碳纳米纤维外表面，免去晶种涂覆过程，从而使该方法简易、高效、普适性强、低成本且环境友好，所得产品集柔性特质、双金属赝电容性能于一身，且可自成独立电极。

技术领域

本发明涉及电化学材料技术领域，尤其涉及一种纳米纤维基柔性阵列结构电极及其制备方法。

背景技术

近年来，随着科技的不断发展，电子器件逐渐微型化、轻量化和柔性化，如：柔性驱动器、分布式传感器、柔性显示屏及可穿戴多媒体器件等。因此，需要发展柔性、质轻、便携的高性能能源存储装置，以顺应可穿戴电子设备在轻薄、耐冲击、高储能以及便携性等方面的要求。虽然目前普遍发展的超级电容器具有很多显而易见的优点，如充放电速率快、循环寿命长、作用温度范围广等，但其刚性大、份量重、能量密度低的缺点阻碍了其在轻、薄、高性能电子设备方面的实际应用。

电极的比电容和柔性特质直接决定了超级电容器的能量密度和柔性可穿戴性能。在制备柔性高性能电极材料方面，采用静电纺丝法制备的连续纳米纤维因具有比表面积大，孔隙丰富及吸附性能强等特点而具有较大的应用潜力。然而纳米纤维经碳化后出现脆性，易于断裂，使其应用发展受限。目前很多研究旨在解决此方面问题，如使用多步热牵伸处理、优化活化工艺(如水蒸气、NH₃、KOH、CO₂活化等)、纺丝前驱体中加入制孔剂(如PMMA、ZnCl₂、SiO₂等)。使用多步热牵伸处理的方法制备的碳纳米纤维电极虽在纤维柔性方面有一定的提高，但一般只存在微孔(2nm)，吸附和传递离子作用有限，大大限制了其电容倍率性能；后两种方法虽然在多级孔径构筑方面有一定的提高，但作为电极使用时仍需要加入少许粘合剂和导电剂等，粘合剂的使用带来额外电阻的同时会阻塞电极材料的部分孔径，大大降低其电容性能。

氧化锌(ZnO)具有良好的电化学活性、环境友好性及较高载流子速率，且能够在低温条件(100℃)下可控构筑不同形貌的三维结构，可作为良好的承载支架或直接作为电极活性材料，成本低廉，在超级电容器领域具有潜在的应用价值。但由于纤维基底与ZnO之间的晶格匹配较差，传统的方法需要在生长ZnO纳米棒阵列之前采取表面浸渍或涂覆ZnO晶种，普遍存在ZnO晶种负载不均匀、牢度较差、生长过程较繁琐费时的问题。

发明内容

针对现有技术中表面浸渍或涂覆ZnO晶种存在ZnO晶种负载不均匀、牢度较差、生长过程较繁琐费时的问题，本发明提供一种纳米纤维基柔性阵列结构电极。

以及，本发明还提供一种上述纳米纤维基柔性阵列结构电极的制备方法。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下技术方案：

一种纳米纤维基柔性阵列结构电极，由内层纺丝溶液和外层纺丝溶液经静电纺丝、碳化、水热生长和电沉积制得，所述内层纺丝溶液中包括聚丙烯腈、精对苯二甲酸、酸化碳纳米管和溶剂，所述外层纺丝溶液中包括聚乙烯吡咯烷酮、无机锌盐、精对苯二甲酸和溶剂。