CN110993345A - 一种单根纤维电容器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单根纤维电容器，包括柱状的纤维本体，所述纤维本体的轴截面两侧分别设有第一电极和第二电极，二者间隔预设距离，所述纤维本体外周套设有电解质层。单根纤维电容器在纤维本体的轴截面两侧形成第一电极和第二电极，同时二者间隔预设距离。当第一电极和第二电极分别与电源的两级相连时，即可起到电容的作用。因而单根纤维电容器无需相互缠绕，因而不会因摩擦、弯曲、扭转等原因造成电解质层以及电极间的界面剥落，降低了单根纤维电容器失效的风险。本发明还提供了一种上述单根纤维电容器的制造方法，并具有工艺简单、工艺参数少、制造速度快等优点。

Description

一种单根纤维电容器及其制造方法
技术领域
本发明涉及可穿戴储能器件技术领域，特别涉及一种单根纤维电容器。本发明还涉及上述单根纤维电容器的制造方法。
背景技术
现有的纤维储能器件通常在单根纤维或纤维束上分别生长正极和负极活性材料，然后通过在生长有正负极活性材料的纤维电极上包覆一层凝胶电解质，再将两根纤维电极通过缠绕方式制作成纤维电容器。该过程不仅工艺复杂、工艺参数多，最重要的是，通过缠绕方式制作成的纤维电容器，界面容易因剥落而失效，难以满足实际应用环境下的复杂机械载荷承载。
因此，如何避免纤维储能器件界面失效是本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种单根纤维电容器，其在轴截面的两侧分别形成第一电极和第二电极，因而无需缠绕即可实现电容功能，避免缠绕过程中造成界面失效。本发明的另一目的是提供一种上述单根纤维电容器的制造方法，其工艺简单、工艺参数少。
为实现上述目的，本发明提供一种单根纤维电容器，包括柱状的纤维本体，所述纤维本体的轴截面两侧分别设有第一电极和第二电极，二者间隔预设距离，所述纤维本体外周套设有电解质层。
优选地，所述纤维本体的直径为50～1000μm。
优选地，所述纤维本体为聚合物纤维，所述第一电极和所述第二电极均为碳电极。
本发明还提供了一种单根纤维电容器的制造方法，包括：
调整激光光斑的直径和功率；
固定纤维本体，使所述激光光斑位于所述纤维本体的轴向上；
通过所述激光光斑照射所述纤维本体的侧面，使该侧面碳化、以形成第一电极；
沿周向将所述纤维本体转动180°，通过所述激光光斑照射所述纤维本体的另一侧面，使该侧面碳化、以形成第二电极；
在所述纤维本体外周包覆电解质层。
优选地，所述调整激光光斑的直径和功率，包括：
调节光斑直径至纤维本体直径的60％～80％，调节激光功率至1.0～10.0W。
优选地，所述纤维本体和所述光斑的相对移动速度为25～600mm/s。
优选地，所述在所述纤维本体外周包覆电解质层，包括：
将带有所述第一电极和所述第二电极的所述纤维本体浸入电解质中，使所述电解质在所述纤维本体外周凝结成所述电解质层。
本发明所提供的单根纤维电容器，包括柱状的纤维本体，所述纤维本体的轴截面两侧分别设有第一电极和第二电极，二者间隔预设距离，所述纤维本体外周套设有电解质层。
单根纤维电容器在纤维本体的轴截面两侧形成第一电极和第二电极，同时二者间隔预设距离。当第一电极和第二电极分别与电源的两级相连时，即可起到电容的作用。因而单根纤维电容器无需相互缠绕，因而不会因摩擦、弯折、扭转等原因造成电解质层以及电极之间的界面剥落，降低了单根纤维电容器失效的风险。
本发明还提供了一种上述单根纤维电容器的制造方法，并具有工艺简单、工艺参数少等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的单根纤维电容器的结构示意图；
图2为纤维本体的结构示意图；
图3为单根纤维电容器制造方法的流程图。
其中，图1和图2中的附图标记为：
纤维本体1、电解质层2、第一电极11、第二电极12。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图3，图1为本发明所提供的单根纤维电容器的结构示意图；图2为纤维本体的结构示意图；图3为单根纤维电容器制造方法的流程图。
本发明所提供的单根纤维电容器，结构如图1所示，包括柱状的纤维本体1和套设在纤维本体1外周的电解质层2。其中，纤维本体1可由聚丙烯腈、聚酰亚胺、木质素或这些聚合物与聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯等的混合纤维形成的聚合物纤维材料。其中，聚丙烯腈、聚酰亚胺具有良好的热稳定性，是纤维本体1的优选材料。纤维本体1直径的可选范围为50～1000μm，为了得到储能特性和可穿戴性优良的纤维电容器，纤维本体1优选为150～500μm。
纤维本体1的轴截面两侧分别设有第一电极11和第二电极12，如图2所示，第一电极11和第二电极12均由导电材质制成，且二者间隔预设距离，纤维本体1通电后，第一电极11和第二电极12上会聚集电荷，实现电容器功能。当然，图2中第一电极11和第二电极12均平行于纤维本体1的轴线，用户也可根据需要使第一电极11和第二电极12均沿纤维本体1外周的螺旋线或其他形状的曲线设置，二者均连续、且不发生接触，不会电导通即可。
可选的，第一电极11和第二电极12均为碳电极，并由聚合物纤维碳化后得到。未碳化的聚合物部分可以提供良好的绝缘性以及柔韧性和拉伸性。
另外，纤维本体1外周套设有电解质层2。电解质层2为凝胶电解质材料，可具体为聚乙烯醇、PAA(丙烯酸改性树脂)、PVDF-HFP(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)、CMC(羧甲基纤维素)等的酸、碱及中性电解质材料。
本实施例中，单根纤维电容器将第一电极11和第二电极12集成在单根纤维本体1两侧，从而使纤维本体无需缠绕即可实现电容器功能，避免电解质层2因剥落而失效。同时，纤维本体1可以提供良好的柔韧性和拉伸性，从而使单根纤维电容器具有良好的可穿戴性。
本发明还提供了一种上述单根纤维电容器的制造方法，包括：
S1、调整激光光斑的直径和功率；
本申请通过激光辐照纤维本体1的侧面，使纤维本体1的侧面发生碳化形成电极。碳化过程的优劣受激光光斑直径和功率的直接影响。本申请的一种具体实施方式中，将光斑的直径调节至纤维本体1直径的60％～80％，将激光的功率调节至1.0～10.0W。另外，本申请的一种优选实施例中，激光的功率范围为2.5～5.0W，直径范围为50～150μm。
另外，纤维本体1可由聚丙烯腈、聚酰亚胺、木质素或这些聚合物与聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯等的混合纤维形成的聚合物纤维材料。其中，聚丙烯腈、聚酰亚胺具有良好的热稳定性，是纤维本体1的优选材料。未碳化的聚合物部分可以提供良好的绝缘性以及柔韧性和拉伸性。
S2、固定纤维本体1，使激光光斑位于纤维本体1的轴向上；
辐照纤维本体1前先要将其放置在工作台上，并沿轴向移动纤维本体1，从而在纤维本体1的侧面形成连续的碳化区域，该碳化区域可作为电容器的电极。
S3、通过激光光斑照射纤维本体1的侧面，使该侧面碳化、以形成第一电极11；
辐照纤维本体1的侧面时可移动限位本体或移动激光光源或二者同时移动。以纤维本体1移动为例，通常工作台上可设置限位槽，同时光斑落入限位槽中，限位槽的一端可设置气缸等推动机构，推动纤维本体1沿限位槽匀速移动，从而使纤维本体1的侧面均匀碳化。激光光源也可在滑台气缸等部件的带动下移动，具体移动方式可参考现有技术，在此不再赘述。通常激光光斑和纤维本体1的相对移动速度的可选范围为25～600mm/s，本申请的一种优选实施例中，二者相对移动速度的可选范围为100～250mm/s。
S4、沿周向将纤维本体1转动180°，通过激光光斑照射纤维本体1的另一侧面，使该侧面碳化、以形成第二电极12；
完成第一电极11的加工后需要将纤维本体1转动180°，从而在纤维本体1的另一侧面加工第二电极12，具体加工方式可参考上述步骤，在此不再赘述。当然，用户也可根据需要沿纤维本体1外周的曲线加工第一电极11和第二电极12，只要保证二者均连续、且不发生接触，不会电导通即可。
S5、在纤维本体1外周包覆电解质层2、以形成单根纤维电容器。
电解质层2可采用浸泡法进行包覆。具体的，将带有第一电极11和第二电极12的纤维本体1浸入电解质中，使电解质在纤维本体1外周凝结成电解质层2，制作成单根纤维电容器。电解质层2为凝胶电解质材料，可具体为聚乙烯醇、PAA、PVDF-HFP、CMC等的酸、碱及中性电解质材料。
本申请所提供的单根纤维电容器相比于现有技术步骤较少、工艺简单、工艺参数少、制造速度快，无需通过缠绕的方式制作电容器能够有效避免电解质层2因剥落而失效，能够满足实际应用环境下的复杂机械载荷承载。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明所提供的单根纤维电容器及其制造方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种单根纤维电容器，其特征在于，包括柱状的纤维本体(1)，所述纤维本体(1)的轴截面两侧分别设有第一电极(11)和第二电极(12)，二者间隔预设距离，所述纤维本体(1)外周套设有电解质层(2)。
2.根据权利要求1所述单根纤维电容器，其特征在于，所述纤维本体(1)的直径为50～1000μm。
3.根据权利要求1所述单根纤维电容器，其特征在于，所述纤维本体(1)为聚合物纤维，所述第一电极(11)和所述第二电极(12)均为碳电极。
4.一种单根纤维电容器的制造方法，其特征在于，包括：
调整激光光斑的直径和功率；
固定纤维本体(1)，使所述激光光斑位于所述纤维本体(1)的轴向上；
通过所述激光光斑照射所述纤维本体(1)的侧面，使该侧面碳化、以形成第一电极(11)；
沿周向将所述纤维本体(1)转动180°，通过所述激光光斑照射所述纤维本体(1)的另一侧面，使该侧面碳化、以形成第二电极(12)；
在所述纤维本体(1)外周包覆电解质层(2)、以形成单根纤维电容器。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述调整激光光斑的直径和功率，包括：
调节光斑直径至纤维本体(1)直径的60％～80％，调节激光功率至1.0～10.0W。
6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述纤维本体和所述光斑的相对移动速度为25～600mm/s。
7.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述在所述纤维本体(1)外周包覆电解质层(2)，包括：
将带有所述第一电极(11)和所述第二电极(12)的所述纤维本体(1)浸入电解质中，使所述电解质在所述纤维本体(1)外周凝结成所述电解质层(2)。
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