CN107564730A - 一种荧光纤维状超级电容器纤维及其制备方法 - Google Patents

一种荧光纤维状超级电容器纤维及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于超级电容器技术领域，具体为一种荧光超级电容器纤维及其制备方法。本发明通过将荧光染料与碳纳米材料纤维进行均匀负载，制备出具有良好柔性、显著荧光效果和稳定电化学性能的荧光超级电容器纤维。稳定负载在纤维电极中的荧光组分使纤维器件在暗环境或紫外光激发下具有显著的荧光效果与视觉差异性，将该种纤维器件编入织物，不仅可以为使用者提供电能，也能一定程度上保证使用者在夜间环境中的安全，从而赋予纤维状能源器件及其编织而成的储能织物更高的实际应用价值、商业附加值及可个性定制化潜力。

Description

一种荧光纤维状超级电容器纤维及其制备方法
技术领域
本发明属于超级电容器技术领域，具体涉及一种荧光超级电容器纤维及其制备方法。
背景技术
随着柔性电子器件的蓬勃发展，人们对与之相匹配能量储存系统的柔性和便携性提出了越来越高的要求。纤维状超级电容器因具有高功率密度、循环性能和柔性等特点而成为了柔性储能系统的主流发展方向之一[1]。纤维状超级电容器可进一步通过编织制备柔性储能织物的优势更是让其在可穿戴电子设备中具有巨大的应用前景。
近年来，针对纤维状超级电容器特殊使用场景而进行的功能化研究取得了一定的发展，比如目前已成功制备了具有自修复功能[2]、形状记忆功能[2]和电致变色功能[3]的纤维状超级电容器。然而，目前却没有针对作为高频使用场景之一的暗场环境（如夜间）设计的纤维状器件或对应的储能织物。储能织物在为使用者提供电能的同时赋予使用者显著的视觉识别性，对于夜间作业的使用者有着非常重要的意义。目前市面上纤维状储能器件外观上通常为电极材料（如金属氧化物、石墨烯或碳纳米管）本身所呈现的黑色，极大的制约了其商业化和市场发展。制备多彩超级电容器纤维及其衍生储能织物将赋予该类产品更高的实际应用价值、商业附加值及可个性定制化潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种普适性、简便易行且具有连续化制备潜力的基于碳纳米材料的荧光超级电容器纤维及其制备方法。
本发明提供的荧光超级电容器纤维，使用具有多色荧光效果的纤维电极，该电极由取向碳纳米管纤维（碳纳米材料纤维）为主体，在干法共纺的成纤维制备过程中使取向纳米管阵列浸泡在均匀的荧光组分分散液中引入荧光功能客体从而形成复合纤维电极。该纤维电极具有良好的电化学性质、机械强度和柔性，在暗场环境或紫外光激发条件下能清晰地被观测到。
所述的碳纳米材料纤维包括碳纳米管纤维或石墨烯纤维，但不限于这两者。
具体来说，本发明提供的荧光超级电容器纤维，由均匀负载了荧光组分的取向碳纳米管纤维（碳纳米材料纤维）作为电极，两根纤维电极表面均匀涂覆凝胶电解质后相互缠绕形成缠绕结构的荧光超级电容器纤维。利用从二维取向碳纳米管阵列制备一维取向碳纳米管纤维的干法纺丝制备过程，在纺丝加捻前将取向碳纳米管薄膜浸润均匀的荧光组分分散液，从而得到具有荧光效果的复合纤维电极，该纤维电极具有优异的柔性、结构和功能稳定性，在弯折条件下能保持高电化学储能性能和荧光效果稳定性。由之构成的超级电容器纤维在暗场环境或紫外射线激发下和周围弱视环境产生明显的视觉差异性，进一步将该种荧光超级电容器纤维编入织物，不仅能实现织物作为储能器件的功能，也能有效提高使用者在较暗环境中的可视性，降低夜间作业使用者（如夜跑者，交通警察，夜间施工人员，军人等）因能见度差而发生事故的概率，以满足不同的特殊场景使用要求。
本发明提供的荧光超级电容器纤维的制备方法，具体步骤如下：
（1）制备荧光组分分散液：取作为荧光组分的荧光染料颗粒0.5-1.5克研磨2-3小时至其粒径均匀分布在2-10微米，取研磨后荧光染料粉末分散于25毫升去离子水中室温下超声10-30分钟，得到荧光组分含量为20-60毫克/毫升的均匀水分散液；
（2）制备荧光纤维电极：对于基于碳纳米管的荧光纤维，首先将多壁取向碳纳米管薄膜直接从宽度为5-10厘米的可纺多壁碳纳米管阵列中拉出来，充分浸润于步骤（1）中所制备的荧光组分分散液5-30分钟。随后将薄膜从荧光染料分散液中转移至平整玻璃基底上，均匀地滴加固含量为1-2%的聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐分散液，室温干燥5-20分钟，并在其完全干燥前使用手动纺丝机采用干法纺丝方法在600-1000转/分钟的转速下将其卷裹成均匀负载荧光粉颗粒的取向多壁碳纳米管纤维；室温下干燥2-4小时得到荧光纤维电极；
对于基于石墨烯的荧光纤维，通过Hummer法制备氧化石墨烯，取20-60克氧化石墨烯分散在10-30毫升去离子水中获得氧化石墨烯溶液，超声震荡1-2小时后将溶液加热浓缩至2毫升。取2-10毫升荧光组分分散液与2毫升氧化石墨烯纺丝原液混合，超声震荡-21小时，将所得分散液注入聚四氟乙烯管（内径0.2-1毫米）后将其两端密封，150-280℃下温度条件下在马弗炉中加热2-6小时，冷却至室温后采用水流将所得复合纤维从管中冲出，常温下干燥2-4小时得到基于石墨烯的荧光纤维电极；
（3）制备荧光超级电容器纤维：将凝胶态电解液（例如，质量百分比：10%磷酸、10%聚乙烯醇、80%去离子水）均匀蘸涂于（2）中制备的橙色荧光超级电容器纤维电极表面，真空条件下促进凝胶电解液渗透5-20分钟，将纤维两端悬空室温下使凝胶电解液干燥2-4小时，在纤维电极表面形成厚度均匀的透明凝胶电解质薄层；将两根涂覆了凝胶电解液的纤维电极平行排列，加捻后形成一根螺距为0.5-2mm具有两个纤维电极的荧光超级电容器纤维。
上述制备的荧光超级电容器纤维，封装在透明的柔性管中获得荧光纤维状超级电容器。
上述制备的荧光超级电容器纤维，可用于制备基于荧光超级电容器纤维的荧光储能织物，具体是将制备的荧光超级电容器纤维插入内径为10-100微米的透明热缩管中，并暴露出两端电极，40-120℃下加热使热缩管收缩，得到透明封装的荧光超级电容器纤维；以平纹织法将荧光超级电容器纤维依次编入普通织物经向或纬向，可制备荧光储能复合织物；以平纹织法直接编织荧光超级电容器纤维得到荧光储能织物。
本发明中，所述取向碳纳米管阵列可采用如下方法制备：采用化学气相沉积法合成垂直取向的可纺多壁碳纳米管阵列。其中，催化剂使用Fe(1-2 nm)/Al2O3(8-12 nm)，碳源为乙烯，气相载体为氩气和氢气的混合气体，化学气相沉积得到可纺的碳纳米管阵列；括号里的数值为对应材料的厚度；
本方法亦可制备其他在材料层面集成功能组分（如磁性纳米粒子）的基于碳纳米材料纤维的储能器件。
由本方法得到的荧光超级电容器纤维，具有良好的结构稳定性，电化学性能和稳定的荧光可视效果。首先，荧光组分在取向碳纳米管纤维中实现了均匀、稳定的负载，无论是对于未封装的荧光超级电容器纤维电极还是由透明热缩管封装后的荧光超级电容器纤维，都具有优异的结构稳定性和电化学稳定性，在不同弯折角度均能保持正常工作状态，在经历多次弯折后相关性能均能较初始状态没有明显下降。荧光效果和电化学性能的稳定性赋予了纤维器件良好的视觉差异性，极大地拓展了其使用场景和易用性，尤其体现在夜间等弱视条件下的特殊使用场景上。其次，通过干法共纺的方式引入荧光功能组分的制备方法具有一定的普适性和实用性，不同颜色（红、橙、黄、绿、蓝、紫）的荧光纤维电极均可通过该方法制备，针对目前市面上纤维储能器件或储能织物仅有黑色外表的情况，通过该方法制备的多彩超级电容器纤维及其衍生储能织物更具实际应用价值、商业附加值及可个性定制化潜力。最后，本发明使用的取向碳纳米管纤维，所采用干法共纺制备复合功能纤维电极、器件的方法均可放大至连续化生产，并通过透明热缩管的封装，在不影响荧光纤维储能器件性能的前提下保证了使用安全性，在柔性可穿戴超级电容器领域显示出巨大的应用潜力。
附图说明
图1为荧光超级电容器纤维制备方法及结构示意图。其中，a为纤维器件的制备方法示意图，b为器件结构示意图。
图2为荧光超级电容器纤维电极的扫描电子显微镜图像。其中，a为侧面图像，可以看到荧光组分颗粒沿纤维轴向均匀分布，b、c为纤维电极断面图像，可以看到卷裹在纤维内部的荧光组分。
图3为不同颜色荧光超级电容器纤维电极的光学照片。
图4为荧光超级电容器纤维的电化学测试数据。其中，a为纤维器件的恒流充放电曲线，b为纤维器件的循环伏安曲线。
图5为荧光超级电容器纤维的稳定性测试。其中，a为纤维器件弯曲不同角度下的光谱强度变化情况，b为纤维器件的恒流充放电长效曲线，b中插图为恒流充放电下纤维器件的光谱强度变化情况。
图6为荧光超级电容器纤维串、并联结构的恒流充放电曲线。其中，a、b为四根纤维器件的并联结构及恒流充放电曲线，c、d为四根纤维器件的串联结构及恒流充放电曲线。
图7为荧光超级电容器纤维编入普通织物后的光学照片。其中，a为16根纤维器件编入手套后点亮4个LED灯珠的光学照片，b为纤维器件弯曲状态下点亮LED灯珠的光学照片。
具体实施方式
实施例1
（1）制备取向碳纳米管阵列：采用化学气相沉积法合成垂直取向的可纺多壁碳纳米管阵列。其中，催化剂使用Fe(1 nm)/Al2O3(10 nm)，碳源为乙烯，气相载体为氩气和氢气的混合气体，化学气相沉积得到可纺的碳纳米管阵列；
（2）制备荧光组分分散液：取作为荧光组分的绿色荧光染料颗粒1克研磨两小时至其粒径均匀分布在5微米左右，取研磨后绿色荧光染料粉末分散于25毫升去离子水中室温下超声10分钟，得到荧光组分含量为40毫克/毫升的均匀水分散液；
（3）制备荧光超级电容器纤维电极：将多壁取向碳纳米管薄膜直接从宽度为8毫米的可纺多壁碳纳米管阵列中拉出来，充分浸润于步骤（2）中所制备的绿色荧光组分分散液5分钟，并在其干燥前使用手动纺丝机采用干法纺丝方法在1000转/分钟的转速下将其卷裹成均匀负载荧光粉颗粒的取向多壁碳纳米管纤维。室温下干燥3小时得到荧光超级电容器纤维电极；
（4）制备基于取向多壁碳纳米管纤维的荧光超级电容器纤维：将凝胶态电解液（质量百分比：10%磷酸、10%聚乙烯醇、80%去离子水）均匀蘸涂于步骤（3）中制备的绿色荧光超级电容器纤维电极表面，真空条件下促进凝胶电解液渗透10分钟，将纤维电极两端分别固定在悬空的情况下使凝胶电解液室温干燥2小时，在绿色纤维电极表面形成厚度均匀的透明凝胶电解液薄层；将两根涂覆了凝胶电解液的纤维电极平行排列，加捻后形成一根螺距为1mm左右具有两个绿色纤维电极的荧光超级电容器纤维；
（5）荧光超级电容器纤维的串联连接：如图6(c)所示，将四根荧光超级电容器纤维平行放置于平面上，将组成纤维器件末端的电极与相邻器件对应电极用金属丝首尾相连，即可实现四根荧光超级电容器纤维的串联连接，有效增大使用电压（0.8V至3.2V）。
实施例2
（1）制备取向碳纳米管阵列：采用化学气相沉积法合成垂直取向的可纺多壁碳纳米管阵列。其中，催化剂使用Fe (3 nm)/Al2O3 (15 nm)，碳源为乙烯，气相载体为氩气和氢气的混合气体，化学气相沉积得到可纺的碳纳米管阵列；
（2）制备荧光组分分散液：取作为荧光组分的橙色荧光染料颗粒0.5克研磨两小时至其粒径均匀分布在3微米左右，取研磨后橙色荧光染料粉末分散于25毫升去离子水中室温下超声10分钟，得到荧光组分含量为20毫克/毫升的均匀水分散液；
（3）制备含赝电容组分的荧光超级电容器纤维电极：将多壁取向碳纳米管薄膜直接从宽度为7厘米的可纺多壁碳纳米管阵列中拉出来，充分浸润于步骤（2）中所制备的橙色荧光组分分散液10分钟。随后将薄膜从荧光染料分散液中转移至平整玻璃基底上，均匀地滴加固含量1.5%聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐分散液，室温干燥5分钟，并在其完全干燥前使用手动纺丝机采用干法纺丝方法在1000转/分钟的转速下将其卷裹成均匀负载荧光粉颗粒的取向多壁碳纳米管纤维。室温下干燥2小时得到荧光超级电容器纤维电极；
（4）制备基于取向多壁碳纳米管纤维的荧光超级电容器纤维：将凝胶态电解液（质量百分比：10%磷酸、10%聚乙烯醇、80%去离子水）均匀蘸涂于步骤（3）中制备的橙色荧光超级电容器纤维电极表面，真空条件下促进凝胶电解液渗透15分钟，将纤维电极两端分别固定在悬空的情况下使凝胶电解液室温干燥2小时，在橙色纤维电极表面形成厚度均匀的透明凝胶电解液薄层；将两根涂覆了凝胶电解液的纤维电极平行排列，加捻后形成一根螺距为2mm左右具有两个橙色纤维电极的荧光超级电容器纤维，该电容器在10 mA cm-3的电流密度下的体积比容量为11.98 F cm-3。
实施例3
（1）制备氧化石墨烯纺丝原液：通过Hummer法制备氧化石墨烯，取20克氧化石墨烯分散在10毫升去离子水中获得氧化石墨烯溶液，超声震荡2小时后将溶液加热浓缩至2毫升；
（2）制备荧光组分分散液：取作为荧光组分的绿色荧光染料颗粒1.5克研磨两小时至其粒径均匀分布在4微米左右，取研磨后绿色荧光染料粉末分散于25毫升去离子水中室温下超声10分钟，得到荧光组分含量为60毫克/毫升的均匀水分散液；
（3）制备荧光超级电容器纤维电极：取2毫升荧光组分分散液与2毫升氧化石墨烯纺丝原液混合，超声震荡1小时，将所得分散液注入聚四氟乙烯管（内径0.5毫米）后将其两端密封，220℃下温度条件下在马弗炉中加热6小时，冷却至室温后采用水流（0.5米/秒）将所得复合纤维从管中冲出，常温下干燥2小时得到基于石墨烯的荧光纤维电极；
（4）制备基于石墨烯纤维的荧光超级电容器纤维：将凝胶态电解液（质量百分比：10%磷酸、10%聚乙烯醇、80%去离子水）均匀蘸涂于步骤（3）中制备的绿色荧光超级电容器纤维电极表面，真空条件下促进凝胶电解液渗透15分钟，将纤维电极两端分别固定在悬空的情况下使凝胶电解液室温干燥3小时，在绿色纤维电极表面形成厚度均匀的透明凝胶电解液薄层；将两根涂覆了凝胶电解液的纤维电极平行排列，加捻后形成一根螺距为1.5 mm左右具有两个绿色纤维电极的荧光超级电容器纤维；
（5）荧光超级电容器纤维的并联连接：如图6(a)所示，将四根荧光超级电容器纤维平行放置于平面上，将所有纤维器件四个位于首端的电极用金属线连接，四个位于尾端的电极用金属线连接，即可实现四根荧光超级电容器纤维的并联连接，有效增大使用电流。
参考文献
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[2]H. Sun, X. You, Y. Jiang, G. Guan, X. Fang, J. Deng, P. Chen, Y. Luo,H. Peng, Angew. Chem. Int. Ed.2014, 53, 9526–9531.
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[4] J. Deng, Y. Zhang, Y. Zhao, P. Chen, X. Cheng, H. Peng, Angew. Chem. Int. Ed.2015, 54, 15419-15423。

Claims (5)

1.一种荧光纤维状超级电容器，其特征在于，由均匀负载荧光组分的碳纳米材料纤维作为电极，两根荧光纤维电极表面均匀涂覆凝胶电解质后相互缠绕形成缠绕结构的荧光超级电容器纤维。
2.根据权利要求1所述的荧光纤维状超级电容器，其特征在于，所述的碳纳米材料纤维为碳纳米管纤维或石墨烯纤维。
3.一种荧光纤维状超级电容器的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）制备荧光组分分散液：取作为荧光组分的荧光染料颗粒0.5-1.5克研磨至其粒径均匀分布在2-10微米，取研磨后荧光染料粉末分散于25毫升去离子水中室温下超声10-30分钟，得到荧光组分含量为20-60毫克/毫升的均匀水分散液；
（2）制备荧光纤维电极：
对于基于碳纳米管的荧光纤维，首先将多壁取向碳纳米管薄膜直接从宽度为5-10厘米的可纺多壁碳纳米管阵列中拉出来，充分浸润于步骤（1）所制备的荧光组分分散液5-30分钟；随后将薄膜从荧光染料分散液中转移至平整玻璃基底上，均匀地滴加固含量为1-2%的聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐分散液，室温干燥5-20分钟，并在其完全干燥前使用手动纺丝机采用干法纺丝方法在600-1000转/分钟的转速下，将其卷裹成均匀负载荧光粉颗粒的取向多壁碳纳米管纤维；室温下干燥2-4小时得到荧光纤维电极；
对于基于石墨烯的荧光纤维，取20-60克氧化石墨烯分散在10-30毫升去离子水中获得氧化石墨烯溶液，超声震荡1-2小时后将溶液加热浓缩至2毫升；取2-10毫升荧光组分分散液与2毫升氧化石墨烯纺丝原液混合，超声震荡1-21小时，将所得分散液注入聚四氟乙烯管后将其两端密封，150-280℃温度条件下在马弗炉中加热2-6小时，冷却至室温后采用水流将所得复合纤维从管中冲出，常温下干燥2-4小时，得到基于石墨烯的荧光纤维电极；
（3）制备荧光超级电容器纤维：将凝胶态电解液均匀蘸涂于步骤（2）制备的荧光超级电容器纤维电极表面，真空条件下促进凝胶电解液渗透5-20分钟，将纤维两端悬空室温下使凝胶电解液干燥2-4小时，在纤维电极表面形成厚度均匀的透明凝胶电解质薄层；将两根涂覆了凝胶电解液的纤维电极平行排列，加捻后形成一根螺距为0.5-2mm具有两个纤维电极的荧光超级电容器纤维。
4.权利要求3所述制备方法制备的荧光超级电容器纤维，封装在透明的柔性管中获得荧光纤维状超级电容器。
5.权利要求3所述制备方法制备的荧光超级电容器纤维，用于制备基于荧光超级电容器纤维的荧光储能织物，具体是将制备的荧光超级电容器纤维插入内径为10-100微米的透明热缩管中，并暴露出两端电极，40-120℃下加热使热缩管收缩，得到透明封装的荧光超级电容器纤维；以平纹织法将荧光超级电容器纤维依次编入普通织物经向或纬向，制备荧光储能复合织物；以平纹织法直接编织荧光超级电容器纤维得到荧光储能织物。
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