[发明专利]一种外包覆石墨导电层基于棉线原位生长盐酸掺杂聚苯胺电极的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种外包覆石墨导电层基于棉线原位生长盐酸掺杂聚苯胺电极的制备方法及应用，属于柔性超级电容器用电极材料制备技术领域。所述外包覆石墨导电层基于棉线原位生长盐酸掺杂聚苯胺是将棉线浸入盐酸掺杂苯胺溶液中，以过硫酸铵溶液作引发剂，经化学原位聚合得到棉线‑聚苯胺电极材料，外包覆石墨导电层制得复合电极。本发明电极比容量高达748F/g，且具有良好循环稳定性及倍率性能，同时制备方法简单成本较低，所用原料绿色环保，易实现规模化生产。

技术领域

本发明属于柔性超级电容器用电极材料制备技术领域，具体涉及一种外包覆石墨导电层基于棉线原位生长盐酸掺杂聚苯胺电极的制备方法及应用。

背景技术

超级电容器是定位在传统电池传统物理电容器件和之间的一种性能优秀的储能元器件，电极材料主要分为碳电极、金属氧化物电极和导电聚合物电极三种。聚苯胺是具有代表性的导电聚合物，由于其具有较高比容量，良好的化学稳定性，价格低廉等优点而备受关注，在超级电容器的设计中应用广泛。

随着超级电容器的发展，柔性超级电容器由于其可弯曲折叠等特点，可作为穿戴设备储能器件。聚苯胺是优秀的电极材料，但目前仍存在一些缺点，如通过添加石墨烯，碳纳米管等碳材料提高电极容量时，成本较高；电聚合制备聚苯胺操作复杂；化学原位生长制备聚苯胺容易团聚，形貌不易控制；电极材料本身内阻较大导致充放电过程压降太大等问题。参考Banerjee J , Dutta K , Kader M A , et al. An overview on the recentdevelopments in polyaniline‐based supercapacitors[J]. Polymers for AdvancedTechnologies, 2019。

发明内容

本发明针对聚苯胺超级电容器电极材料成本，工艺，性能，材料内阻等存在的问题，提出一种外包覆石墨导电层基于棉线原位生长盐酸掺杂聚苯胺超级电容器电极的制备方法，本发明制得的复合电极表面形貌为100nm左右颗粒球包覆棉线基底，该形貌有较高比表面积，具有较高比电容与循环稳定性以及一定柔性。且制备方法简单，成本较低，易实现规模化生产。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种外包覆石墨导电层基于棉线原位生长盐酸掺杂聚苯胺超级电容器电极的制备方法，主要步骤为：

（1）去离子水、苯胺和浓盐酸体积比为50：（3~4）：（2~3），混合得到A液；将普通棉花纤维纺丝线用去离子水冲洗放入乙醇中超声洗涤，取出充分干燥后浸泡在A液中；

（2）配置0.6~1mol/L的过硫酸铵溶液为B液，将等体积的B液注入A液中并置于4℃环境下反应15~30min使聚苯胺在棉线纤维表面原位生长；

（3）将上述反应液中棉线取出用去离子洗涤，充分干燥后滴涂纤维素含量为石墨的5%~20wt%的石墨-棉花纤维素水系分散液，使石墨片涂层充分渗入包覆，干燥后最终制得样品。

本发明的优点在于：

（1）本发明制备的石墨导电层包覆聚苯胺棉线复合电极具有较高的比电容，循环稳定性及倍率性能，其比电容至少可达748F/g。

（2）以棉线为基底材料，使电极具有良好的柔性在柔性电极设计中具有一定前景。

（3）外包覆石墨层为电极提供良好导电性，使充放电过程中压降较小。石墨层中掺入了棉花纳米纤维素，为涂层与聚苯胺层直接提供较好的结合力，且在弯曲过程中可作为柔性骨架，使涂层不易变形破裂。

（4）本发明制备复合电极工艺简单成本较低，所使用的纤维素等辅助原料绿色环保来源广泛。

附图说明

图1未包覆导电层棉线基聚苯胺纤维表面形貌扫描电镜图；