CN106592009A - 超高电导率聚合物纤维、线状超级电容器组及其制备方法 - Google Patents

超高电导率聚合物纤维、线状超级电容器组及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高电导率聚合物纤维、线状超级电容器组及其制备方法。利用湿纺的方法将导电聚合物制备成柔性的聚合物纤维，并在无机溶液中处理后得到超高电导率聚合物纤维；然后以超高电导率聚合物纤维螺旋缠绕在弹性线上分别作为超级电容器的内外电极和导线，并在内外电极处涂覆凝胶电解液，导线将相邻的两个超级电容器串联。通过采用不同的螺旋缠绕方式来调整内电极和外电极之间的位置关系，可以获得上下两份和同步单层的线状超级电容器组一体化器件。本发明的制备方法操作简单，产品具有柔韧性能好，可编织能力强，多个超级电容器一体化串并联分别提高电压和电流的优点，无需特殊设备，容易实现规模生产。

Description

超高电导率聚合物纤维、线状超级电容器组及其制备方法
技术领域
本发明属于线状纤维技术领域，更具体地，本发明涉及一种超高电导率聚合物纤维、线状超级电容器组及其制备方法。
背景技术
可穿戴和电子织物受到人们的极大关注，在便携电子设备中占据主导地位。其中柔性是必不可少的条件之一。在各种各样的柔性能源器件中，线状结构的超级电容器更适合用于可穿戴设备和电子织物。高电导率的柔性纤维可减少能源损耗提高效率，除了传统的金属线外，导电聚合物纤维由于其高电导率、高柔韧性、轻质量和快速的氧还原转换速率而被广泛用于能源储存转换设备。导电聚合物如聚苯胺(PANi)，聚吡咯(PPy)和聚乙烯二氧噻吩(PEDOT:PSS)，以及他们和碳纳米管、石墨烯或氧化石墨烯的复合材料已被广泛研究作为聚合物纤维用于电子织物和可穿戴设备。而对于便携设备，这些设备必须满足质量轻，循环稳定性好，同时具有高的能量密度，传统的电容器的电压一般在0.8-1V左右，而且其能量密度都相当低，所以，这就迫切的需要在相关的领域具有突破性的研究。
近年来，聚合物由于其优异的可纺丝性，超高的循环稳定性和极好的柔韧性而被广范研究，这里我们用各种无机酸处理的方法提高聚合物纤维的电导率和电压窗口。通常，同轴结构和缠绕结构的超级电容器在弯曲的条件下依然具有优异的性能，但是实际应用的电子纺织器件，他们的电压窗口一般都在0.8-1V，因此在应用过程中必须进行串联处理，通常的串联是用铜丝或者银胶进行连接，但是在连接处往往易断裂和破损。因此一体化在许多应用中至关重要。迄今为止，没有关于一体化的线状超级电容器的研究，这主要是受到电极材料的限制。本发明运用弹性纤维上缠绕线状超级电容器的方法，制备出具有一体化的弹性线状超级电容器，为相关电子器件及其复合器件的设计提供了新的思路。
发明内容
本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种高电压窗口、超高电导率聚合物纤维及其制备方法及一体化的弹性线状超级电容器的组装方法。本发明的制备方法无需特殊设备，容易实现规模化生产；并且串并联后的器件可以进行任意的弯曲拉伸而不影响其性能。
为了达到上述目的，本发明的一种实施方式采用以下技术方案：
一种超高电导率聚合物纤维的制备方法，它包括以下步骤：
a.通过湿纺的方法利用浓度为0.1wt.％-76.5wt.％的导电聚合物制备柔性的聚合物纤维，凝固浴是质量分数为3％-8％的无机盐溶液与有机溶剂的混合溶液，所述无机盐溶液与有机溶剂的体积比在25:1-1:50范围内，利用注射泵进行推送，推送的速度为0.1-100ml/min，挤出直径为0.1-2000μm；
b.将得到的聚合物纤维在无机溶液中处理0.01-10h，用蒸馏水洗净，得到电压窗口≥1V、电导率≥1000S/cm的高工作电压窗口和超高电导率的聚合物纤维。
上述超高电导率聚合物纤维的制备方法中，所述导电聚合物为聚吡咯及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚噻吩及其衍生物、聚呋喃及其衍生物和聚乙炔及其衍生物中的任意一种。
上述超高电导率聚合物纤维的制备方法中，步骤a所述无机盐为氯化镁、硫酸钙、硫酸钠、硫酸锂、氯化锂、硫酸钾、硫酸镁、氯化钙、氯化锌、硫酸锌、磷酸钙、磷酸钠、氯化钠和氯化钾中的一种或多种；所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基丙酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、叔丁醇、正丁醇、异丁醇、异丙醇、三氯甲烷、二氯甲烷、四氢呋喃乙二醇、甲醇和乙醇中的一种或多种；步骤b所述无机溶液为浓磷酸、浓度＞98.5％的发烟硫酸、浓度＞90％的发烟硝酸、浓盐酸、氢氟酸和甲酸中的一种或多种。
采用上述制备方法制得的聚合物纤维，其工作电压≥1V、电导率≥1000S/cm，因此它是一种高电压窗口、超高电导率的聚合物纤维，它不但可以作为导线连接不同电容器器件，组成一体化串联容器(其串联数为2-1000)，还可作为电容器的电极材料提供能量储存。
本发明还提供了线状超级电容器组的制备方法，具体包括两种制备方法：
方法一、制备上下两层的线状超级电容器组一体化器件
①以一股单倍长度的导电聚合物纤维螺旋缠绕在弹性线上，其中一部分表面涂覆凝胶电解液作为第一个超级电容器的内电极，剩余部分表面不涂覆凝胶电解液作为导线；
②然后取一股双倍长的导电聚合物纤维，其一部分螺旋缠绕在第一个超级电容器的内电极外作为第一个超级电容器的外电极，其剩余部分直接螺旋缠绕在所述弹性线上，直接螺旋缠绕在所述弹性线上的导电聚合物纤维同样一部分表面涂覆凝胶电解液作为第二个超级电容器的内电极，剩余部分表面不涂覆凝胶电解液作为导线连接两个相邻的超级电容器；
③接着不断利用导电聚合物纤维重复上述步骤②直到线状超级电容器组一体化器件的长度达到使用要求为止；
④最后在每一段导线的表面涂覆弹性凝胶电解液，制得多个超级电容器串联的上下两层的线状超级电容器组一体化器件；
方法二、制备同步单层的线状超级电容器组一体化器件
①将一股单倍长度的导电聚合物纤维和一股双倍长度的导电聚合物纤维以恒定间距同步螺旋缠绕在弹性线上，单倍长度的导电聚合物纤维在右侧作为第一个超级电容器的外电极，双倍长度的导电聚合物纤维在左侧，其与外电极同步螺旋缠绕的部分作为第一个超级电容器的内电极，内、外电极的表面涂覆凝胶电解液；
②双倍长度的导电聚合物纤维未与第一个超级电容器的外电极同步螺旋缠绕的部分直接螺旋缠绕在所述弹性线上，直接螺旋缠绕在所述弹性线上的导电聚合物纤维一部分作为第二个超级电容器的内电极，另一部分作为连接两个超级电容器的导线；另一股双倍长度的导电聚合物纤维的一部分与第二个超级电容器的内电极以相同的间距螺旋缠绕在弹性线上作为第二个超级电容器的外电极，内、外电极的表面涂覆凝胶电解液，另一部分直接缠绕在弹性线上；
③接着不断利用导电聚合物纤维重复上述步骤①和②直到线状超级电容器组一体化器件的长度达到使用要求为止；
④最后在每一段导线的表面涂覆弹性凝胶电解液，制得多个超级电容器串联的同步单层的线状超级电容器组一体化器件。
上述线状超级电容器组的制备方法中，所述螺旋缠绕的方法是：
使用两个马达和一个平移台，把一根弹性线的两端固定在两个马达上，把一根导电聚合物纤维的一端以某一螺旋角度固定在弹性线上，另一端通过平移台牵引使该螺旋角度保持不变，该螺旋角度根据需要进行选择；同步开启两个马达，弹性线随之转动，导电聚合物纤维以设定的螺旋角度不断地缠绕在弹性线上；连续不断地进行上述过程，即可以使多根导电聚合物纤维以恒定角度螺旋缠绕弹性线。
上述线状超级电容器组的制备方法中，所述螺旋角度为5-180°。
上述线状超级电容器组的制备方法中，一股导电聚合物纤维包括1-100根导电聚合物纤维，0≤其拉伸比例≤800％。
采用上述制备方法制得的线状超级电容器组的串联的数量为2-1000。所述线状超级电容器组的是集导电和储能一体化的可拉伸、串联的线状超级电容器组，其拉伸率可达800％，并且可以任意的弯曲和编织，具有非常好的柔性。按照上述步骤，三个串联的超级电容器和电解液制备成一体化的柔性器件，可以点亮五个LED灯。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供一种高电压窗口超高电导率聚合物纤维及线状超级电容器组的制备方法，具有操作简单，柔韧性能好，可编织能力强，多个超级电容器一体化串并联分别提高电压和电流的优点，无需特殊设备，容易实现规模生产。其可以应用在可穿戴高能量密度超级电容器领域。
附图说明
图1为本发明高电导率聚合物纤维的SEM图。
图2为本发明高电导率聚合物纤维的多电压窗口的CV图。
图3为本发明高电导率聚合物纤维的不同扫描速率的CV图。
图4为本发明高电导率聚合物纤维平行电容器串联的CV曲线。
图5为本发明高电导率聚合物纤维平行电容器并联的CV曲线。
图6为本发明上下两层的线状超级电容器组一体化器件制备流程图。
图7为本发明同步单层的线状超级电容器组一体化器件制备流程图。
图中，11-弹性线，12-凝胶电解液，13-导电聚合物纤维，1-超级电容器，2-导线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
a.通过湿纺的方法利用浓度为0.5wt.％的聚吡咯制备柔性的聚合物纤维，凝固浴是质量分数为3％的氯化镁溶液与有机溶剂无水乙醇的混合溶液(氯化镁溶液与无水乙醇的体积比为1:30)，利用注射泵进行推送，推送的速度为0.5ml/min，挤出直径为0.2μm。
b.将得到的聚合物纤维在浓磷酸中处理0.1h，用蒸馏水洗净，得到高工作电压窗口(1.2V)和超高电导率(1100S/cm)的聚合物纤维，SEM图如图1所示。
实施例2
a.通过湿纺的方法利用浓度为10wt.％的聚吡咯制备柔性的聚合物纤维，凝固浴是质量分数为3％的氯化钙溶液与有机溶剂无水乙醇的混合溶液(氯化钙溶液与无水乙醇的体积比为5:1)，利用注射泵进行推送，推送的速度为5ml/min，挤出直径为10μm。
b.将得到的聚合物纤维在浓度＞90％的发烟硝酸中处理2h，用蒸馏水洗净，得到高工作电压窗口(1.5V)和超高电导率(1300S/cm)的聚合物纤维。
实施例3
a.通过湿纺的方法利用浓度为20wt.％的聚乙炔制备柔性的聚合物纤维，凝固浴是质量分数为5％的氯化钙溶液与有机溶剂正丁醇的混合溶液(氯化钙溶液与正丁醇的体积比为10:1)，利用注射泵进行推送，推送的速度为25ml/min，挤出直径为100μm。
b.将得到的聚合物纤维在浓度＞98.5％的发烟硫酸中处理5h，用蒸馏水洗净，得到高工作电压窗口(1.6V)和超高电导率(1500S/cm)的聚合物纤维。
实施例4
a.通过湿纺的方法利用浓度为50wt.％的聚乙炔制备柔性的聚合物纤维，凝固浴是质量分数为3％的硫酸钾溶液与有机溶剂甲醇的混合溶液(硫酸钾溶液与甲醇的体积比为20:1)，利用注射泵进行推送，推送的速度为60ml/min，挤出直径为500μm。
b.将得到的聚合物纤维在浓盐酸中处理7h，用蒸馏水洗净，得到高工作电压窗口(1.8V)和超高电导率(1700S/cm)的聚合物纤维。
实施例5
a.通过湿纺的方法利用浓度为75wt.％的聚呋喃制备柔性的聚合物纤维，凝固浴是质量分数为4％的氯化钙溶液与有机溶剂N,N-二甲基乙酰胺的混合溶液(氯化钙溶液与N,N-二甲基乙酰胺的体积比为25:1)，利用注射泵进行推送，推送的速度为80ml/min，挤出直径为900μm。
b.将得到的聚合物纤维在浓度＞98.5％的发烟硫酸中处理10h，用蒸馏水洗净，得到高工作电压窗口(1.6V)和超高电导率(1300S/cm)的聚合物纤维。
实施例6
导电聚合物纤维缠绕到弹性线上的方法：将一根弹性线固定在两个马达之间，马达同步转动时带动弹性线转动。设置导电聚合物纤维的螺旋角度为30°，将其一端固定在弹性线上，另一端用平移台牵引使导电聚合物纤维的螺旋角度始终保持为30°。同步开启两个马达，将导电聚合物纤维螺旋缠绕到弹性线上，后续需要缠绕其它导电聚合物纤维时，可另取导电聚合物纤维，设置相同的螺旋角度，将其一端固定在弹性线上，然后启动马达将该导电聚合物纤维螺旋缠绕到弹性线上(其它实施例可以采用相同或不同的缠绕方法)。
制备上下两层的线状超级电容器组一体化器件流程图如图6所示，具体操作如下：
将实施例1制备的一股导电聚合物纤维(由单根导电聚合物纤维制成)以30°螺旋缠绕在弹性线上，其中一部分表面涂覆凝胶电解液作为第一个超级电容器的内电极，剩余部分表面不涂覆凝胶电解液作为导线；
然后取一股双倍长的导电聚合物纤维(由单根导电聚合物纤维制成)，其一部分螺旋缠绕在第一个超级电容器的内电极外作为第一个超级电容器的外电极，其剩余部分直接螺旋缠绕在所述弹性线上，直接螺旋缠绕在所述弹性线上的导电聚合物纤维同样一部分表面涂覆凝胶电解液作为第二个超级电容器的内电极，剩余部分表面不涂覆凝胶电解液作为导线连接两个相邻的超级电容器；
接着不断利用导电聚合物纤维重复上述步骤直到线状超级电容器组一体化器件的超级电容器串联数量为100个为止。最后在每一段导线的表面涂覆弹性凝胶电解液，制得多个超级电容器串联的上下两层的线状超级电容器组一体化器件，其拉伸率达到500％。
实施例7
制备上下两层的线状超级电容器组一体化器件：
将实施例2制备的一股导电聚合物纤维(由5根导电聚合物纤维并行缠绕制成)以60°缠绕在弹性线上，其中一部分表面涂覆凝胶电解液作为第一个超级电容器的内电极，剩余部分表面不涂覆凝胶电解液作为导线。
然后一股双倍长的导电聚合物纤维(由5根导电聚合物纤维并行缠绕制成)进行同步缠绕，其一部分螺旋缠绕在第一个超级电容器的内电极外作为第一个超级电容器的外电极，其剩余部分直接螺旋缠绕在所述弹性线上，直接螺旋缠绕在所述弹性线上的导电聚合物纤维同样一部分表面涂覆凝胶电解液作为第二个超级电容器的内电极，剩余部分表面不涂覆凝胶电解液作为导线连接两个相邻的超级电容器。
接着不断利用导电聚合物纤维重复上述步骤直到线状超级电容器组一体化器件的长度达到使用要求为止。最后在每一段导线的表面涂覆弹性凝胶电解液，制得多个超级电容器串联的上下两层的线状超级电容器组一体化器件，其拉伸率达到300％。
实施例8
制备上下两层的线状超级电容器组一体化器件：
将实施例3制备的一股导电聚合物纤维(由60根导电聚合物纤维并行缠绕制成)以120°缠绕在弹性线上，其中一部分表面涂覆凝胶电解液作为第一个超级电容器的内电极，剩余部分表面不涂覆凝胶电解液作为导线。
然后取一股双倍长的导电聚合物纤维(由60根导电聚合物纤维并行缠绕制成)进行同步缠绕，其一部分螺旋缠绕在第一个超级电容器的内电极外作为第一个超级电容器的外电极，其剩余部分直接螺旋缠绕在所述弹性线上，直接螺旋缠绕在所述弹性线上的导电聚合物纤维同样一部分表面涂覆凝胶电解液作为第二个超级电容器的内电极，剩余部分表面不涂覆凝胶电解液作为导线连接两个相邻的超级电容器。
接着不断利用导电聚合物纤维重复上述步骤直到线状超级电容器组一体化器件的长度达到使用要求为止。最后在每一段导线的表面涂覆弹性凝胶电解液，制得多个超级电容器串联的上下两层的线状超级电容器组一体化器件，其拉伸率达到100％。
实施例9
制备同步单层的线状超级电容器组一体化器件的流程图如图7所示，具体操作如下：
将实施例3制备的一股单倍长度的导电聚合物纤维(由5根导电聚合物纤维并行缠绕制成)和一股双倍长度的导电聚合物纤维(由5根导电聚合物纤维并行缠绕制成)以恒定间距同步螺旋缠绕在弹性线上，单倍长度的导电聚合物纤维在右侧作为第一个超级电容器的外电极，双倍长度的导电聚合物纤维在左侧，其与外电极同步螺旋缠绕的部分作为第一个超级电容器的内电极，内、外电极的表面涂覆凝胶电解液；也可以先在弹性线的特定部位涂覆凝胶电解液，然后再在弹性线上螺旋缠绕导电聚合物纤维；
双倍长度的导电聚合物纤维未与第一个超级电容器的外电极同步螺旋缠绕的部分直接螺旋缠绕在所述弹性线上，直接螺旋缠绕在所述弹性线上的导电聚合物纤维一部分作为第二个超级电容器的内电极，另一部分作为连接两个超级电容器的导线；另一股双倍长度的导电聚合物纤维(由5根导电聚合物纤维并行缠绕制成)的一部分与第二个超级电容器的内电极以相同的间距螺旋缠绕在弹性线上作为第二个超级电容器的外电极，内、外电极的表面涂覆凝胶电解液，另一部分直接缠绕在弹性线上；
接着不断利用导电聚合物纤维重复上述步骤直到线状超级电容器组一体化器件的长度达到使用要求为止。最后在每一段导线的表面涂覆弹性凝胶电解液，制得多个超级电容器串联的同步单层的线状超级电容器组一体化器件，其拉伸率可达到700％。
实施例10
制备同步单层的线状超级电容器组一体化器件：
将实施例4制备的一股单倍长度的导电聚合物纤维(由5根导电聚合物纤维并行缠绕制成)和一股双倍长度的导电聚合物纤维(由5根导电聚合物纤维并行缠绕制成)以恒定间距同步螺旋缠绕在弹性线上，单倍长度的导电聚合物纤维在右侧作为第一个超级电容器的外电极，双倍长度的导电聚合物纤维在左侧，其与外电极同步螺旋缠绕的部分作为第一个超级电容器的内电极，内、外电极的表面涂覆凝胶电解液；
双倍长度的导电聚合物纤维未与第一个超级电容器的外电极同步螺旋缠绕的部分直接螺旋缠绕在所述弹性线上，直接螺旋缠绕在所述弹性线上的导电聚合物纤维一部分作为第二个超级电容器的内电极，另一部分作为连接两个超级电容器的导线；另一股双倍长度的导电聚合物纤维(由5根导电聚合物纤维并行缠绕制成)的一部分与第二个超级电容器的内电极以相同的间距螺旋缠绕在弹性线上作为第二个超级电容器的外电极，内、外电极的表面涂覆凝胶电解液，另一部分直接缠绕在弹性线上；
接着不断利用导电聚合物纤维重复上述步骤直到线状超级电容器组一体化器件的长度达到使用要求为止。最后在每一段导线的表面涂覆弹性凝胶电解液，制得多个超级电容器串联的同步单层的线状超级电容器组一体化器件，其拉伸率可达到600％。
实施例11
将实施例5制备的一股单倍长度的导电聚合物纤维(由20根导电聚合物纤维并行缠绕制成)和一股双倍长度的导电聚合物纤维(由20根导电聚合物纤维并行缠绕制成)以恒定间距同步螺旋缠绕在弹性线上，单倍长度的导电聚合物纤维在右侧作为第一个超级电容器的外电极，双倍长度的导电聚合物纤维在左侧，其与外电极同步螺旋缠绕的部分作为第一个超级电容器的内电极，内、外电极的表面涂覆凝胶电解液；
双倍长度的导电聚合物纤维未与第一个超级电容器的外电极同步螺旋缠绕的部分直接螺旋缠绕在所述弹性线上，直接螺旋缠绕在所述弹性线上的导电聚合物纤维一部分作为第二个超级电容器的内电极，另一部分作为连接两个超级电容器的导线(位于两个相邻的超级电容器之间)；另一股双倍长度的导电聚合物纤维(由20根导电聚合物纤维并行缠绕制成)的一部分与第二个超级电容器的内电极以相同的间距螺旋缠绕在弹性线上作为第二个超级电容器的外电极，内外电极的表面涂覆凝胶电解液，另一部分直接缠绕在弹性线上；
接着不断利用导电聚合物纤维重复上述步骤直到线状超级电容器组一体化器件的超级电容器串联数量为900个为止。最后在每一段导线的表面涂覆弹性凝胶电解液，制得多个超级电容器串联的同步单层的线状超级电容器组一体化器件，其拉伸率可达到300％。
图2测试了导电聚合物的电压窗口，表明其电压可以达到1.6V。
图3为本发明高电导率聚合物纤维的不同扫描速率的CV图，表明在高扫速时仍然能保持很好的电化学性能。
图4为本发明高电导率聚合物纤维平行电容器串联的CV曲线，其操作电压是与串联个数成正比，在电容器串联个数分别为2个，3个和4个的时，电压分别为3.2,4.8和6.4V。
图5为本发明高电导率聚合物纤维平行电容器并联的CV曲线，其输出电流是与并联个数成正比，可以通过串并联电容器以满足电子器件的额定电压或者额定电流。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (9)

1.一种超高电导率聚合物纤维的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：
a.通过湿纺的方法利用浓度为0.1wt.％-76.5wt.％的导电聚合物制备柔性的聚合物纤维，凝固浴是质量分数为3％-8％的无机盐溶液与有机溶剂的混合溶液，所述无机盐溶液与有机溶剂的体积比在25:1-1:50范围内，利用注射泵进行推送，推送的速度为0.1-100ml/min，挤出直径为0.1-2000μm；
b.将得到的聚合物纤维在无机溶液中处理0.01-10h，用蒸馏水洗净，得到电压窗口≥1V、电导率≥1000S/cm的高工作电压窗口和超高电导率的聚合物纤维。
2.根据权利要求1所述的超高电导率聚合物纤维的制备方法，其特征在于所述导电聚合物为聚吡咯及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚噻吩及其衍生物、聚呋喃及其衍生物和聚乙炔及其衍生物中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的超高电导率聚合物纤维的制备方法，其特征在于步骤a所述无机盐为氯化镁、硫酸钙、硫酸钠、硫酸锂、氯化锂、硫酸钾、硫酸镁、氯化钙、氯化锌、硫酸锌、磷酸钙、磷酸钠、氯化钠和氯化钾中的一种或多种；所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基丙酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、叔丁醇、正丁醇、异丁醇、异丙醇、三氯甲烷、二氯甲烷、四氢呋喃乙二醇、甲醇和乙醇中的一种或多种；步骤b所述无机溶液为浓磷酸、浓度＞98.5％的发烟硫酸、浓度＞90％的发烟硝酸、浓盐酸、氢氟酸和甲酸中的一种或多种。
4.采用权利要求1-3任意一项所述的制备方法制得的聚合物纤维，其特征在于它的工作电压≥1V、电导率≥1000S/cm。
5.线状超级电容器组的制备方法，其特征在于包括两种制备方法：
方法一、制备上下两层的线状超级电容器组一体化器件
①以一股单倍长度的导电聚合物纤维螺旋缠绕在弹性线上，其中一部分表面涂覆凝胶电解液作为第一个超级电容器的内电极，剩余部分表面不涂覆凝胶电解液作为导线；
②然后取一股双倍长的导电聚合物纤维，其一部分螺旋缠绕在第一个超级电容器的内电极外作为第一个超级电容器的外电极，其剩余部分直接螺旋缠绕在所述弹性线上，直接螺旋缠绕在所述弹性线上的导电聚合物纤维同样一部分表面涂覆凝胶电解液作为第二个超级电容器的内电极，剩余部分表面不涂覆凝胶电解液作为导线连接两个相邻的超级电容器；
③接着不断利用导电聚合物纤维重复上述步骤②直到线状超级电容器组一体化器件的长度达到使用要求为止；
④最后在每一段导线的表面涂覆弹性凝胶电解液，制得多个超级电容器串联的上下两层的线状超级电容器组一体化器件；
方法二、制备同步单层的线状超级电容器组一体化器件
①将一股单倍长度的导电聚合物纤维和一股双倍长度的导电聚合物纤维以恒定间距同步螺旋缠绕在弹性线上，单倍长度的导电聚合物纤维在右侧作为第一个超级电容器的外电极，双倍长度的导电聚合物纤维在左侧，其与外电极同步螺旋缠绕的部分作为第一个超级电容器的内电极，内、外电极的表面涂覆凝胶电解液；
②双倍长度的导电聚合物纤维未与第一个超级电容器的外电极同步螺旋缠绕的部分直接螺旋缠绕在所述弹性线上，直接螺旋缠绕在所述弹性线上的导电聚合物纤维一部分作为第二个超级电容器的内电极，另一部分作为连接两个超级电容器的导线；另一股双倍长度的导电聚合物纤维的一部分与第二个超级电容器的内电极以相同的间距螺旋缠绕在弹性线上作为第二个超级电容器的外电极，内、外电极的表面涂覆凝胶电解液，另一部分直接缠绕在弹性线上；
③接着不断利用导电聚合物纤维重复上述步骤①和②直到线状超级电容器组一体化器件的长度达到使用要求为止；
④最后在每一段导线的表面涂覆弹性凝胶电解液，制得多个超级电容器串联的同步单层的线状超级电容器组一体化器件。
6.根据权利要求5所述的线状超级电容器组的制备方法，其特征在于所述螺旋缠绕的方法是：
使用两个马达和一个平移台，把一根弹性线的两端固定在两个马达上，把一股导电聚合物纤维的一端以某一螺旋角度固定在弹性线上，另一端通过平移台牵引使该螺旋角度保持不变，该螺旋角度根据需要进行选择；同步开启两个马达，弹性线随之转动，导电聚合物纤维以设定的螺旋角度不断地缠绕在弹性线上；连续不断地进行上述过程，即可以使多根导电聚合物纤维以恒定角度螺旋缠绕弹性线。
7.根据权利要求6所述的线状超级电容器组的制备方法，其特征在于所述螺旋角度为5-180°。
8.根据权利要求5或6所述的线状超级电容器组的制备方法，其特征在于一股导电聚合物纤维包括1-100根导电聚合物纤维，0≤其拉伸比例≤800％。
9.一种采用权利要求5-8任意一项所述的制备方法制得的线状超级电容器组，其特征在于串联的数量为2-1000。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107988645A (zh) * 2017-10-30 2018-05-04 东华镜月（苏州）纺织技术研究有限公司 超弹性导电纤维和超弹性纤维状超级电容器的制备方法
CN111793853A (zh) * 2020-08-05 2020-10-20 扬州大学 一种高伸长率的pedot:pss导电纤维的纺丝方法
CN114561718A (zh) * 2022-02-28 2022-05-31 中国科学技术大学 一种复合纤维材料及其制备方法、一种高可拉伸性纤维状超级电容器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102121192A (zh) * 2011-01-18 2011-07-13 东华大学 一种弹性导电复合纤维及其制备方法
CN104538201A (zh) * 2014-12-26 2015-04-22 浙江理工大学 一种纺织纤维和聚吡咯纳米线复合超级电容器的制备方法
CN104745819A (zh) * 2013-12-27 2015-07-01 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 利用导电高分子纳米纺丝从电子废弃物中回收金属的方法
CN105140048A (zh) * 2015-09-11 2015-12-09 复旦大学 一种连续制备复合纤维状超级电容器的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102121192A (zh) * 2011-01-18 2011-07-13 东华大学 一种弹性导电复合纤维及其制备方法
CN104745819A (zh) * 2013-12-27 2015-07-01 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 利用导电高分子纳米纺丝从电子废弃物中回收金属的方法
CN104538201A (zh) * 2014-12-26 2015-04-22 浙江理工大学 一种纺织纤维和聚吡咯纳米线复合超级电容器的制备方法
CN105140048A (zh) * 2015-09-11 2015-12-09 复旦大学 一种连续制备复合纤维状超级电容器的方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107988645A (zh) * 2017-10-30 2018-05-04 东华镜月（苏州）纺织技术研究有限公司 超弹性导电纤维和超弹性纤维状超级电容器的制备方法
CN111793853A (zh) * 2020-08-05 2020-10-20 扬州大学 一种高伸长率的pedot:pss导电纤维的纺丝方法
CN111793853B (zh) * 2020-08-05 2022-12-13 扬州大学 一种高伸长率的pedot:pss导电纤维的纺丝方法
CN114561718A (zh) * 2022-02-28 2022-05-31 中国科学技术大学 一种复合纤维材料及其制备方法、一种高可拉伸性纤维状超级电容器

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