CN107564729A - 柔性纳米网状复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了柔性纳米网状复合材料的制备方法，包括如下步骤：一、浆料制备；二、柔性基体制作；三、活性碳纳米材料附着及电极核壳结构制备。本发明使用聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇、聚丙烯腈中的一种或多种作为原料，使用N,N‑二甲基甲酰胺、N‑甲基吡咯烷酮、三氟乙酸、二氯甲烷中的一种或多种作为溶剂，生产方法简单，使用电化学检测方法循环伏安法CV或横流充放电GCD进行检测，发现其容量远远高于现有普通电极制作方法所能达到的0.7F/cm2。同时，由于其具有三维结构，因此比表面积大大提高，表面积测量显示其比表面积可达461m2/g。
Description
技术领域
本发明涉及电极材料加工处理领域，具体涉及柔性纳米网状复合材料的制备方法。
技术背景
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫电化学电容器(Electrochemical Capacitor,EC)、黄金电容、法拉第电容；包括双电层电容器(Electrostatic double-layercapacitor)和赝电容器（Electrochemical pseudocapacitor）,通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件、储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个电容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。电极材料作为超级电容器主要部分，其材料柔性化为一个柔性超级电容器产品所不可缺少的特性。柔性化的电极主要由高分子纳米纤维作为基体，纳米级碳材料作为活性材料附着在纳米基体上，形成柔性复合网状电极材料。目前还没有一种以聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇或聚丙烯腈作为基体，从而利于活性材料附着在上面，以制备柔性电极材料的柔性纳米网状复合材料的制备方法。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种以聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇或聚丙烯腈作为基体，从而利于活性材料附着在上面，以制备柔性电极材料的柔性纳米网状复合材料的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案。
柔性纳米网状复合材料的制备方法，包括如下步骤：
一、浆料制备，使用聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇、聚丙烯腈中的一种或多种作为原料，使用N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、三氟乙酸、二氯甲烷中的一种或多种作为溶剂，原料重量占比为总重量的1%～10%，其余为溶剂，将原料加入到溶剂中，加热至25˚C～80˚C，使用搅拌设备进行调和，直至液体高分子原料在溶剂在完全溶解；
二、柔性基体制作，将完全溶解的液体放入到推进容器中，以设定的推进速度、高压静电电压，并使用金属针管头，以金属薄膜作为纤维收集器对纳米纤维基体进行收集，然后将纳米纤维基体放置于40˚C～120˚C烘箱内进行烘干处理；
三、活性碳纳米材料附着及电极核壳结构制备，利用纳米碳材料作为活性材料，将活性材料加入液体中，并进行分散处理，然后将步骤二中制备的柔性基体放入液体中，浸透正反表面，并同时使用高强度超声波进行处理，当柔性基体表面全部变色后取出，并在乙醇和水中反复浸泡清洗，然后放入烘箱，在温度40˚C～100˚C的环境下进行烘干处理后，即可制得薄膜电极。
所述步骤一中所使用的搅拌设备包括但不限于真空高速搅拌设备、磁力搅拌仪、均质机。
所述步骤二中的金属薄膜优选不锈钢薄膜或铝箔。
所述步骤二中的纤维收集器可以是以固定形式，或者以滚轴转动形式对纳米纤维基体进行收集。
所述步骤二中的纳米纤维基体形态为纤维状，直径约20nm～2000nm，长度大于5000nm，厚度约为500nm～100000nm。
所述步骤三中的活性材料包括但不限于多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、功能化碳纳米管、活性炭粉、单层石墨烯、多层石墨烯、以及碳纳米纤维。
本发明使用聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇、聚丙烯腈中的一种或多种作为原料，使用N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、三氟乙酸、二氯甲烷中的一种或多种作为溶剂，生产方法简单，使用电化学检测方法循环伏安法CV或横流充放电GCD进行检测，发现其容量远远高于现有普通电极制作方法所能达到的0.7F/cm2。同时，由于其具有三维结构，因此比表面积大大提高，表面积测量显示其比表面积可达461m2/g。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
具体实施例1
使用聚对苯二甲酸乙二醇粒状塑料作为基体高分子材料，将10%重量百分比的聚对苯二甲酸乙二醇加入体积比例1：1的三氟乙酸：二氯甲烷混合溶液中，并且进行12个小时的搅拌，将溶解的聚对苯二甲酸乙二醇溶液加入20mL的针管中，并且将其安装于微量推进泵上，将静电纺丝设备调整至20%R.H.湿度和40˚C的温度环境，连接在不锈钢针管上的直流电源采用20kV电压，铝箔收集器接地，不锈钢针管的内径为1.0668mm，外径为1.4732mm，长度为5.08cm，针头与铝箔收集器的距离为10cm，使用1mL/hr的推进速度，收集时间为12个小时，所得基体放置于50˚C烘箱内进行烘干处理，收集于平面铝箔收集器上的聚对苯二甲酸乙二醇纤维薄膜基体在显微电镜下成40nm～400nm的直径分布，其平均直径为150nm，活性材料使用直径为10nm～20nm的多壁碳纳米管，每10mL蒸馏水中加入0.1g纳米管，并且使用超声波处理仪进行分散处理20分钟，将先前制备好的聚对苯二甲酸乙二醇纤维基体放入，并浸透其正反表面，并同时使用稍弱强度超声波进行进一步处理，当基体表面全部变色后即取出，并经乙醇和水多次浸泡清洗，之后放入烘箱，在温度70˚C的环境下进行烘干处理。显微电镜下显示基体表面附着大量碳纳米管，并且整体成黑色，表明碳纳米管很好的附着在纳米纤维基体中。在使用1M浓度液态硫酸为电解液的情况下，使用电化学检测方法循环伏安法CV或横流充放电GCD进行检测，发现其容量可达1.2F/cm2，BET表面积测量显示其比表面积可达461m2/g。
具体实例2
使用粉状塑料作为基体高分子材料，将10%重量百分比的聚丙烯腈加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中，将温度加热至40˚C，并且进行12个小时的搅拌，再将溶解的聚丙烯腈溶液加入20mL的针管中，并且将其安装于微量推进泵上，将静电纺丝设备调整至20%R.H.湿度和40˚C的温度环境，连接在不锈钢针管上的直流电源采用15kV电压，铝箔收集器接地，不锈钢针管的内径为1.0668mm，外径为1.4732mm，长度为5.08cm，针头与铝箔收集器的距离为12cm，使用2mL/hr的推进速度，收集时间为6个小时，基体放置于50˚C烘箱内进行烘干处理，收集于平面铝箔收集器上的聚丙烯腈纤维薄膜基体在显微电镜下成20nm～250nm的直径分布，其平均直径为120nm，活性材料使用直径为10～20nm的多壁碳纳米管，每10mL蒸馏水中加入0.1g多壁碳纳米管，并且使用超声波处理仪进行分散处理20分钟，将先前制备好的聚丙烯腈纤维基体放入，并浸透其正反表面，并同时使用稍弱强度超声波进行进一步处理，当基体表面全部变色后即取出，并经乙醇和水多次浸泡清洗，之后放入烘箱，在温度70˚C的环境下进行烘干处理。显微电镜下显示基体表面附着大量碳纳米管，并且整体成黑色，表明碳纳米管很好的附着在纳米纤维基体中，在使用1MoL浓度液态硫酸为电解液的情况下，使用电化学检测方法循环伏安法CV或横流充放电GCD进行检测，发现其容量可达1.35F/cm2,BET表面积测量显示其比表面积可达621m2/g。
具体实施例3
使用聚对苯二甲酸乙二醇粒状塑料作为基体高分子材料，将10%重量百分比的聚对苯二甲酸乙二醇加入体积比例1：1的三氟乙酸：二氯甲烷混合溶液中，并且进行12个小时的搅拌，将溶解的聚对苯二甲酸乙二醇溶液加入20mL的针管中，并且将其安装于微量推进泵上，将静电纺丝设备调整至20%R.H.湿度和40˚C的温度环境，连接在不锈钢针管上的直流电源采用20kV电压，铝箔收集器接地，不锈钢针管的内径为1.0668mm，外径为1.4732mm，长度为5.08cm，针头与铝箔收集器的距离为10cm，使用1mL/hr的推进速度，收集时间为12个小时，所得基体放置于50˚C烘箱内进行烘干处理，收集于平面铝箔收集器上的聚对苯二甲酸乙二醇纤维薄膜基体在显微电镜下成40nm～400nm的直径分布，其平均直径为150nm，活性材料使用直径大于2um，厚度5～10nm的多层石墨烯片，每10mL蒸馏水中加入0.1g多层石墨烯片，并且使用超声波处理仪进行分散处理20分钟，将先前制备好的聚对苯二甲酸乙二醇纤维基体放入，并浸透其正反表面，并同时使用超声波进行进一步处理，当基体表面全部变色后即取出，并经乙醇和水多次浸泡清洗，之后放入烘箱，在温度70˚C的环境下进行烘干处理。显微电镜下显示基体表面附着大量碳纳米管，并且整体成黑色，表明石墨烯片很好的附着在纳米纤维基体中，在使用1MoL浓度液态硫酸为电解液的情况下，使用电化学检测方法循环伏安法CV或横流充放电GCD进行检测，发现其容量可达1.32F/cm2,而且BET表面积测量显示其比表面积可达659m2/g。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.柔性纳米网状复合材料的制备方法，包括如下步骤：一、浆料制备，使用聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇、聚丙烯腈中的一种或多种作为原料，使用N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、三氟乙酸、二氯甲烷中的一种或多种作为溶剂，原料重量占比为总重量的1%～10%，其余为溶剂，将原料加入到溶剂中，加热至25˚C～80˚C，使用搅拌设备进行调和，直至液体高分子原料在溶剂在完全溶解；二、柔性基体制作，将完全溶解的液体放入到推进容器中，以设定的推进速度、高压静电电压，并使用金属针管头，以金属薄膜作为纤维收集器对纳米纤维基体进行收集，然后将纳米纤维基体放置于40˚C～120˚C烘箱内进行烘干处理；三、活性碳纳米材料附着及电极核壳结构制备，利用纳米碳材料作为活性材料，将活性材料加入液体中，并进行分散处理，然后将步骤二中制备的柔性基体放入液体中，浸透正反表面，并同时使用高强度超声波进行处理，当柔性基体表面全部变色后取出，并在乙醇和水中反复浸泡清洗，然后放入烘箱，在温度40˚C～100˚C的环境下进行烘干处理后，即可制得薄膜电极。
2.根据权利要求1所述的柔性纳米网状复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤一中所使用的搅拌设备包括但不限于真空高速搅拌设备、磁力搅拌仪、均质机。
3.根据权利要求1所述的柔性纳米网状复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤二中的金属薄膜优选不锈钢薄膜或铝箔。
4.根据权利要求1所述的柔性纳米网状复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤二中的纤维收集器可以是以固定形式，或者以滚轴转动形式对纳米纤维基体进行收集。
5.根据权利要求1所述的柔性纳米网状复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤二中的纳米纤维基体形态为纤维状，直径约20nm～2000nm，长度大于5000nm，厚度约为500nm～100000nm。
6.根据权利要求1所述的柔性纳米网状复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤三中的活性材料包括但不限于多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、功能化碳纳米管、活性炭粉、单层石墨烯、多层石墨烯、以及碳纳米纤维。
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| CN105529448A (zh) * | 2016-01-22 | 2016-04-27 | 西北工业大学 | 柔性锂离子电池负极材料的制备方法 |
| CN105552342A (zh) * | 2016-02-18 | 2016-05-04 | 长春理工大学 | 碳纤维附着MnO2的锂离子电池柔性负极及其制备方法 |
| CN105908490A (zh) * | 2016-05-13 | 2016-08-31 | 哈尔滨工业大学 | 一种多功能纳米纸/静电纺丝纤维柔性复合膜结构的制备方法 |
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