CN110379642A - 一种可拉伸纳米纤维、其应用、包含其的可拉伸电容器电极及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电化学材料技术领域，具体公开一种可拉伸纳米纤维、其应用、包含其的可拉伸电容器电极及制备方法，所述可拉伸纳米纤维以热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管为原料，通过静电纺丝法制备得到。本发明的可拉伸纳米纤维，既有良好的可拉伸性能，并可以根据需要制作成预设的任何形状，具有一定的独立支撑性能，其作为电容器电极在封装成电容器时不需要集流体和支撑材料，实现自支撑结构，柔性和可拉伸性好，同时具有体积小、储能密度大、放电功率高等特点，制备的可拉伸微型电容器兼具高电容储能性和可拉伸性，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电化学材料技术领域，尤其涉及一种可拉伸纳米纤维、其应用、包含其的可拉伸电容器电极及制备方法。
背景技术
近年来，可弯曲和折叠的轻质柔性储能设备已成为材料领域研究的方向，以适应可穿戴通讯设备、可植入医疗监控等柔性电子器件的高速发展，其中，微型超级电容器是一类新型的高功率电化学储能器件，由于其功率密度高，结构多变、充放电速度快，循环寿命长和安全性能好等特点，可以将其用于个人穿戴系统、可卷曲显示器、生物医药等领域，具有很大的发展空间。
国内外对于柔性电极衬底研究分别有金属基、塑料基、纸基和纤维基柔性电极，其中纤维基材具有一定的拉伸性、穿戴舒适性和丰富孔径结构使其成为可穿戴微型电极载体的代表，静电纺丝法制备的纳米纤维尺寸和形貌可控、制备成本低，且纤维交联孔隙可缩短离子扩散路径而提高快速充放电能力，有望成为制备纳米多孔导电基底的主要方法，但目前研究的静电纺纳米纤维虽具备一定的柔性，但基本不具备可拉伸性，同时，因引入弹性成纤基底带来了微电极易脱离及惰性物质增加导致的电极导电性差的问题，大大限制了其在穿戴式电子设备中的应用；其它实现纤维基微型电极可控构筑的方法有光刻法、模板法、激光直写法、微流体刻蚀法等，其大都操作过程繁琐，且需要精密昂贵的设备，使其实际应用受阻。
发明内容
针对现有纳米纤维电容器电极的柔性差、可拉伸性差、制备方法复杂以及制作成本高等问题，本发明提供一种可拉伸纳米纤维、其应用、包含其的可拉伸电容器电极及制备方法。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
以热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管为原料，通过静电纺丝法制备得到。
相对于现有技术，本发明提供的可拉伸纳米纤维，在纺丝液前驱体中加入热塑性聚氨酯，可以增加纳米纤维的可拉伸性，且热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管的结合得到的纳米纤维既有很好的可拉伸性能，并根据需要制作成预设的任何形状，又有一定的独立支撑性能，在不添加其它粘合剂和支撑材料的情况下，可维持其特定的形状，实现自支撑结构。
其中，酸化碳纳米管中含有大量的羧基和羟基，可提高纺丝液的混合均匀性。
优选的，所述热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管的质量比为18-22:8-12:1-2。
优选的，所述酸化碳纳米管的制备方法为：将多壁碳纳米管加入到由体积比为2.5-3.5:1的浓硫酸和浓硝酸组成的酸溶液中，40-50℃水浴超声2-2.5h，过滤、洗涤、干燥，得到酸化碳纳米管。
上述方法制备的酸化碳纳米管上含有丰富的羧基和羟基，大大提高碳纳米管的分散性和使用性能。
本发明可拉伸纳米纤维在作为电容器电极中的应用。
由热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管结合制备的可拉伸纳米纤维作为电容器电极，克服了因引入弹性热塑性聚氨酯成纤基底带来的惰性物质增加导致的电极绝缘性差的问题，其作为电容器电极除具有很好的可拉伸性能外，还保持了良好的导电性能。
Fe3O4拥有多种氧化价态，具备理论比电容高(2299F/g)、电位窗大(-1.2-0.25V)、生产成本低和对环境友好等特点，是一类潜在的超级电容器电极材料，但Fe3O4单独作为电极材料时依然存在电导率低、比表面积小和活性位点少等问题，将其与酸化碳纳米管进行复合，沉积于纳米纤维膜上作为电容器电极，可以大大提高电解液与电极材料的接触面积，缩短电解液的扩散路径，同时还能提供连续的电子传导路径和应变驰豫。酸化碳纳米管的加入，可以增加电极的导电性能。
本发明的可拉伸纳米纤维直接作为电容器电极，在封装成电容器时不需要集流体和支撑材料，更不需要粘合剂等塑成电极，实现自支撑结构，具有体积小、储能密度大、放电功率高等特点，制备的可拉伸微型电容器兼具高电容储能性和可拉伸性，具有广泛的应用前景。
本发明可拉伸纳米纤维制备的可拉伸电容器电极，包括预设形状的可拉伸纳米纤维膜和涂覆在可拉伸纳米纤维膜表面的凝胶电解质。
本发明还提供所述可拉伸电容器电极的制备方法，至少包括以下步骤：
a、将热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管加入溶剂中溶解，得到纺丝液；
b、根据可拉伸电容器电极的预设图案形状，在接收板上设置磁性区域；
c、设置静电纺丝参数，用所述纺丝液进行静电纺丝，在接收板的磁性区域上得到可拉伸纳米纤维膜；
d、将凝胶电解质均匀涂覆在可拉伸纳米纤维膜表面，得到可拉伸电容器电极。
相对于现有技术，本发明提供的可拉伸电容器电极的制备方法，根据可拉伸电容器电极的预设图案形状，在接收板上设置磁性区域，使接收板上的磁性区域与纺丝液中添加的Fe3O4磁性纳米粒子控制电磁场分布，利用静电纺丝技术，一体化制备预设形状的可拉伸电容器电极，结合凝胶电解质制备得到微型超级电容器，避免传统采用微流体溅射、激光直写、光刻制备“图案化”电极等复杂昂贵的方法，此方法可一步制备得到可拉伸电容器电极，节能环保，且可根据需要任意变化电容器电极的形状。
优选的，所述步骤a中的溶剂由体积比为0.8-1.2:1的N,N-二甲基甲酰胺和乙醇组成；和/或
所述步骤a中热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管的质量之和占静电纺丝液质量的27-36％；和/或
所述步骤a中的溶解过程是在70-80℃下，超声波辅助溶解1-1.5h。
N,N-二甲基甲酰胺和乙醇按上述比例混合，可最大限度的增加热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管的溶解性。
优选的，步骤b中所述预设图案形状为叉指电极形状，接收板的磁性区域的设置是通过将磁铁片设置成叉指电极形状，通过在叉指之间放置绝缘块，留出预设的磁性区域。
优选的，所述步骤c中的静电纺丝参数为：纺丝电压22-24kv、纺丝针头与接收板距离20-23cm、纺丝流速1.5-2.4ml/h。
优选的，所述步骤d中的凝胶电解质中包含质量比为1:2-2.5的聚乙烯醇和氯化锂；和/或
所述凝胶电解质的制备方法为：称取聚乙烯醇和氯化锂加入去离子水中，混合均匀后加热至80-90℃，持续搅拌并保温1.5-2h，冷却得到凝胶电解质；所述去离子水的质量为聚乙烯醇质量的10-12倍。
附图说明
图1是本发明实施例1中微型电容器的制备流程图；
图2是本发明实施例1中制备的酸化碳纳米管的红外光谱分析图；
图3是本发明实施例1中制备的微型电容器的循环伏安曲线。
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
一种可拉伸纳米纤维，以热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管为原料，通过静电纺丝法制备得到，其中热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管的质量比为18:8:2。利用上述可拉伸纳米纤维制备可拉伸电容器电极的方法，包括以下步骤：
a、称取1.8g多壁碳纳米管(MWNTs)，加入到由75ml浓硫酸和25ml浓硝酸组成的酸溶液中，置于40℃水浴中超声处理2h，处理完成后，将溶液倒入离心管中，置入高速离心机中，8000r/min，离心10min，过滤物再用蒸馏水清洗并真空抽滤，反复过滤冲洗，直至过滤物呈中性，然后将过滤物120℃真空干燥至恒重，研磨得到2g酸化碳纳米管(AC-MWNTs)；将18g热塑性聚氨酯(TPU)、8g的Fe3O4和得到的酸化碳纳米管加入72g体积比为0.8:1的N,N-二甲基甲酰胺和乙醇组成的溶剂，在70℃下，超声波辅助溶解1h，得到均匀且透明的纺丝液；
b、以磁铁片作为接收板，根据可拉伸电容器电极的预设图案形状，将磁铁片设置成叉指电极形状，通过在叉指之间放置绝缘块，留出预设的磁性区域；
c、将制备得到的纺丝液倒入静电纺丝设备中10ml的注射器中，将注射器固定在注射泵上，注射泵的插头接在隔离电源上，以防止错误操作，产生高压电，将高压电源的正极连接注射器的喷头，负极接磁铁片，控制纺丝电压为22kv，纺丝针头与接收板距离为20cm，纺丝流速为1.5ml/h，在接收板的磁性区域上得到预设形状的可拉伸纳米纤维膜；
d、取4g聚乙烯醇(PVA)和8g氯化锂(LiCl)于烧杯中，加入40mL去离子水，混合均匀后加热至80℃，持续搅拌并保温2h，然后冷却至室温，得到凝胶电解质，将配置好的凝胶电解质涂抹于可拉伸纳米纤维膜表面，得到可拉伸电容器电极，进而得到可拉伸电容器。
通过红外光谱检测实施例中制备得到的酸化碳纳米管中官能团的含量，得到的红外光谱分析图如图2所示，从振动频率可以看出，该酸化碳纳米管中含有大量的羧基和羟基。
不同拉伸条件下检测可拉伸电容器的安抚循环曲线，检测结果如图3所示，即在不同拉伸条件下，实施例中的可拉伸电容器的安抚循环曲线变化不大，在高拉伸率条件下，可拉伸电容器依然能保持良好的性能。
对得到的可拉伸电容器电极的电化学性能进行测试，测定结果见表1所示。
表1可拉伸电容器电极的电化学性能
| 电极断裂延伸率 | 电容值 | 重复拉伸1000次后的电容保持率 |
| 91.89％ | 382.2F/g | 95.8％ |
其中，电极断裂延伸率为电极在拉伸断裂后，总伸长与原始长度的百分比；重复拉伸1000次后的电容保持率为在电极拉伸率为20％的情况下重复拉伸1000次后的电容保持率。
实施例2
一种可拉伸纳米纤维，以热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管为纺丝液前驱体，通过静电纺丝法制备得到，其中热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管的质量比为20:10:1.6。
利用上述可拉伸纳米纤维制备可拉伸电容器电极的方法，具体流程如图1所示，包括以下步骤：
a、称取1.5g多壁碳纳米管(MWNTs)，加入到由75ml浓硫酸和25ml浓硝酸组成的酸溶液中，置于45℃水浴中超声处理2.5h，处理完成后，将溶液倒入离心管中，置入高速离心机中，8000r/min，离心10min，过滤物再用蒸馏水清洗并真空抽滤，反复过滤冲洗，直至过滤物呈中性，然后将过滤物120℃真空干燥至恒重，研磨得到1.6g酸化碳纳米管(AC-MWNTs)；将20g热塑性聚氨酯(TPU)、10g的Fe3O4和得到的酸化碳纳米管加入68.4g体积比为1:1的N,N-二甲基甲酰胺和乙醇组成的溶剂，在75℃下，超声波辅助溶解1h，得到均匀且透明的纺丝液；
b、以磁铁片作为接收板，根据可拉伸电容器电极的预设图案形状，将磁铁片设置成叉指电极形状，通过在叉指之间放置绝缘块，留出预设的磁性区域；
c、将制备得到的纺丝液倒入静电纺丝设备中10ml的注射器中，将注射器固定在注射泵上，注射泵的插头接在隔离电源上，以防止错误操作，产生高压电，将高压电源的正极连接注射器的喷头，负极接磁铁片，控制纺丝电压为23kv，纺丝针头与接收板距离为22cm，纺丝流速为2ml/h，在接收板的磁性区域上得到预设形状的可拉伸纳米纤维膜；
d、取4g聚乙烯醇(PVA)和8.5g氯化锂(LiCl)于烧杯中，加入40mL去离子水，混合均匀后加热至85℃，持续搅拌并保温1.5h，然后冷却至室温，得到凝胶电解质，将配置好的凝胶电解质涂抹于可拉伸纳米纤维膜表面，得到可拉伸电容器电极，进而得到可拉伸电容器。
对得到的可拉伸电容器电极的电化学性能进行测试，测定结果见表1所示。
表1可拉伸电容器电极的电化学性能
| 电极断裂延伸率 | 电容值 | 重复拉伸1000次后的电容保持率 |
| 91.89％ | 319.4F/g | 96.1％ |
其中，电极断裂延伸率为电极在拉伸断裂后，总伸长与原始长度的百分比；重复拉伸1000次后的电容保持率为在电极拉伸率为20％的情况下重复拉伸1000次后的电容保持率。
实施例3
一种可拉伸纳米纤维，以热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管为纺丝液前驱体，通过静电纺丝法制备得到，其中热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管的质量比为22:12:1.1。
利用上述可拉伸纳米纤维制备可拉伸电容器电极的方法，包括以下步骤：
a、称取1g多壁碳纳米管(MWNTs)，加入到由75ml浓硫酸和25ml浓硝酸组成的酸溶液中，置于50℃水浴中超声处理2h，处理完成后，将溶液倒入离心管中，置入高速离心机中，8000r/min，离心10min，过滤物再用蒸馏水清洗并真空抽滤，反复过滤冲洗，直至过滤物呈中性，然后将过滤物120℃真空干燥至恒重，研磨得到1.1g酸化碳纳米管(AC-MWNTs)；将22g热塑性聚氨酯(TPU)、12g的Fe3O4和得到的酸化碳纳米管加入64.9g体积比为1.2:1的N,N-二甲基甲酰胺和乙醇组成的溶剂，在80℃下，超声波辅助溶解1.5h，得到均匀且透明的纺丝液；
b、以磁铁片作为接收板，根据可拉伸电容器电极的预设图案形状，将磁铁片设置成叉指电极形状，通过在叉指之间放置绝缘块，留出预设的磁性区域；
c、将制备得到的纺丝液倒入静电纺丝设备中10ml的注射器中，将注射器固定在注射泵上，注射泵的插头接在隔离电源上，以防止错误操作，产生高压电，将高压电源的正极连接注射器的喷头，负极接接收板，控制纺丝电压为24kv，纺丝针头与接收板距离为23cm，纺丝流速为2.4ml/h，在接收板的磁性区域上得到预设形状的可拉伸纳米纤维膜；
d、取4g聚乙烯醇(PVA)和9g氯化锂(LiCl)于烧杯中，加入40mL去离子水，混合均匀后加热至90℃，持续搅拌并保温1.5h，然后冷却至室温，得到凝胶电解质，将配置好的凝胶电解质涂抹于可拉伸纳米纤维膜表面，得到可拉伸电容器电极，进而得到可拉伸电容器。
对得到的可拉伸电容器电极的电化学性能进行测试，测定结果见表1所示。
表1可拉伸电容器电极的电化学性能
| 电极断裂延伸率 | 电容值 | 重复拉伸1000次后的电容保持率 |
| 88.34％ | 268.5F/g | 93.8％ |
其中，电极断裂延伸率为电极在拉伸断裂后，总伸长与原始长度的百分比；重复拉伸1000次后的电容保持率是指在电极拉伸率为20％的情况下重复拉伸1000次后的电容保持率。
对比例1
用等量的聚氯乙烯代替实施例1中的热塑性聚氨酯，其它原料和制备方法与实施例1相同，得到可拉伸电容器电极。
对得到的可拉伸电容器电极的电化学性能进行测试，测定结果见表1所示。
表1可拉伸电容器电极的电化学性能
| 电极断裂延伸率 | 电容值 | 重复拉伸1000次后的电容保持率 |
| 23.75％ | 118.7F/g | 56.9％ |
其中，电极断裂延伸率为电极在拉伸断裂后，总伸长与原始长度的百分比；重复拉伸1000次后的电容保持率是指在电极拉伸率为20％的情况下重复拉伸1000次后的电容保持率。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可拉伸纳米纤维，其特征在于：以热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管为原料，通过静电纺丝法制备得到。
2.如权利要求1所述的可拉伸纳米纤维，其特征在于：所述热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管的质量比为18-22:8-12:1-2。
3.如权利要求1所述的可拉伸纳米纤维，其特征在于：所述酸化碳纳米管的制备方法为：将多壁碳纳米管加入到由体积比为2.5-3.5:1的浓硫酸和浓硝酸组成的酸溶液中，40-50℃水浴超声2-2.5h，过滤、洗涤、干燥，得到酸化碳纳米管。
4.权利要求1-3任一项所述的可拉伸纳米纤维在作为电容器电极中的应用。
5.权利要求1-3任一项所述可拉伸纳米纤维制备的可拉伸电容器电极，其特征在于：包括预设形状的可拉伸纳米纤维膜和涂覆在可拉伸纳米纤维膜表面的凝胶电解质。
6.权利要求5所述可拉伸电容器电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、将热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管加入溶剂中溶解，得到纺丝液；
b、根据可拉伸电容器电极的预设图案形状，在接收板上设置磁性区域；
c、设置静电纺丝参数，用所述纺丝液进行静电纺丝，在接收板的磁性区域上得到可拉伸纳米纤维膜；
d、将凝胶电解质均匀涂覆在可拉伸纳米纤维膜表面，得到可拉伸电容器电极。
7.如权利要求6所述的可拉伸电容器电极的制备方法，其特征在于：所述步骤a中的溶剂由体积比为0.8-1.2:1的N,N-二甲基甲酰胺和乙醇组成；和/或
所述步骤a中热塑性聚氨酯、Fe3O4和酸化碳纳米管的质量之和占静电纺丝液质量的27-36％；和/或。
所述步骤a中的溶解过程是在70-80℃条件下，超声波辅助溶解1-1.5h。
8.如权利要求6所述的可拉伸电容器电极的制备方法，其特征在于：步骤b中所述预设图案形状为叉指电极形状，接收板的磁性区域的设置是通过将磁铁片设置成叉指电极形状，在叉指之间放置绝缘块，留出预设的磁性区域。
9.如权利要求6所述的可拉伸电容器电极的制备方法，其特征在于：所述步骤c中的静电纺丝参数为：纺丝电压22-24kv、纺丝针头与接收板距离20-23cm、纺丝流速1.5-2.4ml/h。
10.如权利要求6所述的可拉伸电容器电极的制备方法，其特征在于：所述步骤d中的凝胶电解质中包含质量比为1:2-2.5的聚乙烯醇和氯化锂；和/或
所述凝胶电解质的制备方法为：称取聚乙烯醇和氯化锂加入去离子水中，混合均匀后加热至80-90℃，持续搅拌并保温1.5-2h，冷却得到凝胶电解质；所述去离子水的质量为聚乙烯醇质量的10-12倍。
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111029169A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-17 | 西安工业大学 | 一种纳米颗粒夹心复合材料及其制备方法 |
| CN111564635A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-08-21 | 北京科技大学 | 一种柔性可拉伸锌聚合物电池及其制备方法 |
| CN113699599A (zh) * | 2021-09-22 | 2021-11-26 | 华侨大学 | 一种微小三维结构的无支撑熔融静电纺丝直写装置 |
| WO2022094767A1 (zh) * | 2020-11-03 | 2022-05-12 | 智能容电(北京)科技有限公司 | 一种柔性可变电容器及其制备方法 |
| CN114550999A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-27 | 东华大学 | 一种多层皮芯结构的电化学红外调控纤维的连续化制备方法 |
| US11923140B2 (en) * | 2020-04-08 | 2024-03-05 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Carbon-metal oxide composite electrode for a supercapacitor and method of making a carbon-metal oxide composite electrode |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105070531A (zh) * | 2015-08-05 | 2015-11-18 | 暨南大学 | 一种基于聚氨酯碳纳米管复合材料的可拉伸式线状超级电容器的制备方法 |
| US20160036351A1 (en) * | 2014-07-30 | 2016-02-04 | Seoul National University R&Db Foundation | Stretchable triboelectric generator, stretchalbe electricity storage device, and wearable electronic device |
| CN106449159A (zh) * | 2016-11-29 | 2017-02-22 | 大连海洋大学 | 碳纤维包裹金属氧化物的电容器用柔性电极及制备方法 |
| KR20190047949A (ko) * | 2017-10-30 | 2019-05-09 | 소치재 | 탄소나뉴튜브를 이용한 전기생성장치 및 먼지측정장치 |
-
2019
- 2019-07-31 CN CN201910702171.1A patent/CN110379642B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160036351A1 (en) * | 2014-07-30 | 2016-02-04 | Seoul National University R&Db Foundation | Stretchable triboelectric generator, stretchalbe electricity storage device, and wearable electronic device |
| CN105070531A (zh) * | 2015-08-05 | 2015-11-18 | 暨南大学 | 一种基于聚氨酯碳纳米管复合材料的可拉伸式线状超级电容器的制备方法 |
| CN106449159A (zh) * | 2016-11-29 | 2017-02-22 | 大连海洋大学 | 碳纤维包裹金属氧化物的电容器用柔性电极及制备方法 |
| KR20190047949A (ko) * | 2017-10-30 | 2019-05-09 | 소치재 | 탄소나뉴튜브를 이용한 전기생성장치 및 먼지측정장치 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A. MIRMOHSENI, M.S. SEYED DORRAJI, M.G. HOSSEINI: "Influence of metal oxide nanoparticles on pseudocapacitive behavior of wet-spun polyaniline-multiwall carbon nanotube fibers", 《ELECTROCHIMICA ACTA》 * |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111029169A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-17 | 西安工业大学 | 一种纳米颗粒夹心复合材料及其制备方法 |
| CN111029169B (zh) * | 2019-12-31 | 2021-12-17 | 西安工业大学 | 一种纳米颗粒夹心复合材料及其制备方法 |
| US11923140B2 (en) * | 2020-04-08 | 2024-03-05 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Carbon-metal oxide composite electrode for a supercapacitor and method of making a carbon-metal oxide composite electrode |
| CN111564635A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-08-21 | 北京科技大学 | 一种柔性可拉伸锌聚合物电池及其制备方法 |
| CN111564635B (zh) * | 2020-04-22 | 2021-10-22 | 北京科技大学 | 一种柔性可拉伸锌聚合物电池及其制备方法 |
| WO2022094767A1 (zh) * | 2020-11-03 | 2022-05-12 | 智能容电(北京)科技有限公司 | 一种柔性可变电容器及其制备方法 |
| CN113699599A (zh) * | 2021-09-22 | 2021-11-26 | 华侨大学 | 一种微小三维结构的无支撑熔融静电纺丝直写装置 |
| CN113699599B (zh) * | 2021-09-22 | 2022-07-12 | 华侨大学 | 一种微小三维结构的无支撑熔融静电纺丝直写装置 |
| CN114550999A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-27 | 东华大学 | 一种多层皮芯结构的电化学红外调控纤维的连续化制备方法 |
| CN114550999B (zh) * | 2022-01-25 | 2024-05-14 | 东华大学 | 一种多层皮芯结构的电化学红外调控纤维的连续化制备方法 |
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