CN106847523A - 一种柔性超级电容器电极材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种柔性超级电容器电极材料及其应用，涉及纳米材料领域，所述柔性超级电容器电极材料由碳纤维表面附着钴酸镍纳米线构成，所述钴酸镍纳米线的长度为10～20μm，直径为80～150nm，本发明的柔性超级电容器电极材料，既具有碳基材料良好的导电性和循环稳定性的特点，又具有复合金属氧化物高比电容的特点，还具有优良的折曲稳定性，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种柔性超级电容器电极材料及其应用。
背景技术
超级电容器是一种介于普通电容器和化学电池之间的储能器件,兼具两者的优点，如功率密度高、能量密度高、循环寿命长、可快速充放电，并具有瞬时大电流放电和对环境无污染等特性。它涉及材料、能源、化学、电子器件等多个学科，成为交叉学科研究的热点之一。作为一种绿色环保、性能优异的新型储能器件，超级电容器在众多的领域有广泛的应用，包括国防、军工以及电动汽车、电脑、移动通信等民用领域，因而受到了世界各国尤其是发达国家的高度重视。
超级电容器的性能取决于电极材料，电解液，制备工艺等，其中对超级电容器性能影响最大的是电极材料，碳材料具有比表面积大、导电性好、稳定性高、价格低廉等优点，因此在20世纪60年代就已被研究并应用于超级电容器，常见的碳基材料有活性炭，碳气凝胶、碳纳米管、碳纤维、石墨烯及其衍生物等。碳纤维(carbon farbic)是含碳量在95％的高强度的新型纤维材料，它“外柔内刚”，质量比金属铝轻，其强度比钢铁高，且耐腐蚀，可用于高强度耐高温类柔性超级电容器。
随着科学技术的发展，开发具有弯折稳定性的电极材料已成为目前储能领域研究的重要方向。但是，目前的研究主要着重于具有新结构材料的合成，容量的提高，循环性能的提升等电化学性能方面的优化，没有开发柔性电极方面的工作。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种柔性电极材料，它可以反复折叠弯曲，且不影响电极的电化学性能具有很高的弯折稳定性。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种柔性超级电容器材料，由碳纤维表面附着钴酸镍纳米线构成。
优选的，所述钴酸镍纳米线的长度为10～20μm，直径为80～150nm。
优选的，所述柔性超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维的制备：将甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯醇和造孔剂加入有机溶剂中，超声分散后搅拌均匀，加入聚丙烯腈，在60～75℃下水浴加热6～8h，然后在室温下搅拌10～12h，然后在50～60℃下烘12～18h，得到纺丝原液，对纺丝原液进行湿法纺丝得到原丝，原丝经碳化后得到活性碳纤维；
(2)碳纤维/钴酸镍复合材料的制备：将氯化镍、氯化钴和尿素加水溶解，将碳纤维加入混合溶液中，超声分散均匀，将混合物转入反应釜中，在120～160℃下反应4～8h，将所得产物清洗干净后，用水和乙醇清洗后真空干燥，得到碳纤维/钴酸镍复合材料；
(3)柔性电极的制备：配制PVP溶液，搅拌1h后，调节pH至3～5，加入交联剂和引发剂，搅拌30min后，加入复合材料和导电剂，继续搅拌6～8h，将产物涂布在基底上，得到柔性超级电容器电极材料。
优选的，所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺，二甲基亚砜、N,N-二甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、甲苯中的一种。
优选的，所述氯化镍的浓度为0.02～0.05mol/L，所述氯化钴的浓度为0.04～0.1mol/L。
优选的，所述引发剂为偶氮二异丁氰、过氧化苯甲酰、过氧化氢中的一种。
优选的，所述交联剂为N,N’-二亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇双丙烯酸酯、乙二醇双甲基丙烯酸酯。
本发明还提供一种柔性超级电容器电极材料在超级电容器上的应用。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的的柔性电极采用碳基材料和金属氧化物复合，得到的电极材料既具有碳基材料良好的导电性和循环稳定性的特点，又具有复合金属氧化物高比电容的特点。
(2)碳纤维由导电高分子通过静电纺丝得到，具有高度有序的结构，减小了电解液粒子的传输路径，从而降低电容器的内阻。
(3)将电极材料用导电凝胶包覆，增加了碳纤维和金属氧化物的结合能力，降低了金属氧化物的损耗，使得电极可以反复折叠弯曲，且不影响电极的电化学性能具有很高的弯折稳定性和循环稳定性。
(4)电极材料的制备方法简单，无需模板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种柔性超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维的制备：将甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯醇和造孔剂加入二甲基甲酰胺中，超声分散后搅拌均匀，加入聚丙烯腈，在60℃下水浴加热8h，然后在室温下搅拌12h，然后在60℃下烘12h，得到纺丝原液，对纺丝原液进行湿法纺丝得到原丝，原丝经碳化后得到活性碳纤维；
(2)碳纤维/钴酸镍复合材料的制备：将氯化镍、氯化钴和尿素加水溶解，其中氯化镍浓度为0.05mol/L，氯化钴浓度为0.1mol/L，将碳纤维加入混合溶液中，超声分散均匀，将混合物转入反应釜中，在120℃下反应6h，将所得产物清洗干净后，用水和乙醇清洗后真空干燥，得到碳纤维/钴酸镍复合材料，其中钴酸镍纳米线的长度为20μm，直径为100nm；
(3)柔性电极的制备：配制PVP溶液，搅拌1h后，调节pH至3.8，加入N,N’-二亚甲基双丙烯酰胺和过氧化苯甲酰，搅拌30min后，加入复合材料和导电剂，继续搅拌6h，将产物涂布在基底上，得到柔性超级电容器电极材料。
所述柔性超级电容器电极材料可应用与超级电容器电极材料。
实施例2：
一种柔性超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维的制备：将甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯醇和造孔剂加入四氢呋喃中，超声分散后搅拌均匀，加入聚丙烯腈，在75℃下水浴加热6h，然后在室温下搅拌10h，然后在60℃下烘12h，得到纺丝原液，对纺丝原液进行湿法纺丝得到原丝，原丝经碳化后得到活性碳纤维；
(2)碳纤维/钴酸镍复合材料的制备：将氯化镍、氯化钴和尿素加水溶解，其中氯化镍浓度为0.025mol/L，氯化钴浓度为0.05mol/L，将碳纤维加入混合溶液中，超声分散均匀，将混合物转入反应釜中，在160℃下反应4h，将所得产物清洗干净后，用水和乙醇清洗后真空干燥，得到碳纤维/钴酸镍复合材料，其中钴酸镍纳米线的长度为10μm，直径为150nm；
(3)柔性电极的制备：配制PVP溶液，搅拌1h后，调节pH至3，加入乙二醇双丙烯酸酯和过氧化氢，搅拌30min后，加入复合材料和导电剂，继续搅拌6h，将产物涂布在基底上，得到柔性超级电容器电极材料。
所述柔性超级电容器电极材料可应用与超级电容器电极材料。
实施例3：
一种柔性超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维的制备：将甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯醇和造孔剂加入N,N-二甲基吡咯烷酮中，超声分散后搅拌均匀，加入聚丙烯腈，在60℃下水浴加热6h，然后在室温下搅拌10h，然后在50℃下烘18h，得到纺丝原液，对纺丝原液进行湿法纺丝得到原丝，原丝经碳化后得到活性碳纤维；
(2)碳纤维/钴酸镍复合材料的制备：将氯化镍、氯化钴和尿素加水溶解其中氯化镍浓度为0.02mol/L，氯化钴浓度为0.04mol/L，，将碳纤维加入混合溶液中，超声分散均匀，将混合物转入反应釜中，在120℃下反应8h，将所得产物清洗干净后，用水和乙醇清洗后真空干燥，得到碳纤维/钴酸镍复合材料，其中钴酸镍纳米线的长度为15μm，直径为80nm；
(3)柔性电极的制备：配制PVP溶液，搅拌1h后，调节pH至5，加入乙二醇双甲基丙烯酸酯和偶氮二异丁氰，搅拌30min后，加入复合材料和导电剂，继续搅拌8h，将产物涂布在基底上，得到柔性超级电容器电极材料。
所述柔性超级电容器电极材料可应用与超级电容器电极材料。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种柔性超级电容器材料，其特征在于，由碳纤维表面附着钴酸镍纳米线构成。
2.如权利要求1所述的柔性超级电容器材料，其特征在于，所述钴酸镍纳米线的长度为10～20μm，直径为80～150nm。
3.如权利要求2所述的柔性超级电容器材料，其特征在于，所述柔性超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维的制备：将甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯醇和造孔剂加入有机溶剂中，超声分散后搅拌均匀，加入聚丙烯腈，在60～75℃下水浴加热6～8h，然后在室温下搅拌10～12h，然后在50～60℃下烘12～18h，得到纺丝原液，对纺丝原液进行湿法纺丝得到原丝，原丝经碳化后得到活性碳纤维；
(2)碳纤维/钴酸镍复合材料的制备：将氯化镍、氯化钴和尿素加水溶解，将碳纤维加入混合溶液中，超声分散均匀，将混合物转入反应釜中，在120～160℃下反应4～8h，将所得产物清洗干净后，用水和乙醇清洗后真空干燥，得到碳纤维/钴酸镍复合材料；
(3)柔性电极的制备：配制PVP溶液，搅拌1h后，调节pH至3～5，加入交联剂和引发剂，搅拌30min后，加入复合材料和导电剂，继续搅拌6～8h，将产物涂布在基底上，得到柔性超级电容器电极材料。
4.如权利要求3所述的柔性超级电容器材料，其特征在于，所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺，二甲基亚砜、N,N-二甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、甲苯中的一种。
5.如权利要求4所述的柔性超级电容器材料，其特征在于，所述氯化镍的浓度为0.02～0.05mol/L，所述氯化钴的浓度为0.04～0.1mol/L。
6.如权利要求5所述的柔性超级电容器材料，其特征在于，所述引发剂为偶氮二异丁氰、过氧化苯甲酰、过氧化氢中的一种。
7.如权利要求6所述的柔性超级电容器材料，其特征在于，所述交联剂为N,N’-二亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇双丙烯酸酯、乙二醇双甲基丙烯酸酯。
8.一种如权利要求1～7任一所述的柔性超级电容器电极材料的应用，其特征在于，所述柔性超级电容器电极材料可用作超级电容器电极材料。
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