CN111146010B - 用于柔性超级电容器的多孔碳纤维电极的制备方法、柔性超级电容器及其制备方法 - Google Patents

用于柔性超级电容器的多孔碳纤维电极的制备方法、柔性超级电容器及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111146010B
CN111146010B CN201911389289.XA CN201911389289A CN111146010B CN 111146010 B CN111146010 B CN 111146010B CN 201911389289 A CN201911389289 A CN 201911389289A CN 111146010 B CN111146010 B CN 111146010B
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon fiber
porous carbon
flexible supercapacitor
electrode
fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911389289.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN111146010A (zh
Inventor
郭子月
张金纳
徐祥博
王朝阳
蒋爱云
吴海宏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhengzhou Fanxian New Material Technology Co ltd
Original Assignee
Zhengzhou Fanxian New Material Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhengzhou Fanxian New Material Technology Co ltd filed Critical Zhengzhou Fanxian New Material Technology Co ltd
Priority to CN201911389289.XA priority Critical patent/CN111146010B/zh
Publication of CN111146010A publication Critical patent/CN111146010A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111146010B publication Critical patent/CN111146010B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/24—Electrodes characterised by structural features of the materials making up or comprised in the electrodes, e.g. form, surface area or porosity; characterised by the structural features of powders or particles used therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/40—Fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Abstract

本发明公开了用于柔性超级电容器的多孔碳纤维电极的制备方法，属于能源领域。该方法通过将碳纤维经过高温烧蚀处理，制作成用于柔性超级电容器的多孔碳纤维电极。同时本发明公开了利用该碳纤维电极制作的柔性超级电容器及其制备方法。本发明的碳纤维基柔性超级电容器可以更加安全便携地为电子设备进行充电，具有轻量、可设计性强、循环寿命长、高比电容、高比功率等优点。在可穿戴、便携式智能纺织品领域显示出巨大的应用潜力。

Description

用于柔性超级电容器的多孔碳纤维电极的制备方法、柔性超 级电容器及其制备方法
技术领域
本发明属于能源技术领域，具体涉及用于柔性超级电容器的多孔碳纤维电极的制备方法、柔性超级电容器及其制备方法。
背景技术
我国自十八届五中全会后秉承“创新、协调、绿色、开放、共享”的五大发展理念破解发展难题，树立发展优势。“绿色”观念深入人心，人们在追求绿色清洁高效能源的同时对一些电子设备如传感器、LED屏、智能手机等要求微型化、可穿戴、柔韧性、便携性，与之相匹配的供能器件也须具有一定的柔韧性。传统的超级电容器虽然解决了锂电池比重大，循环寿命低，安全性差等缺点，但因柔性差、设计性低等问题仍无法满足可穿戴电子产品的需求。
发明内容
本发明的目的是一方面提供一种用于柔性超级电容器的多孔碳纤维电极的制备方法，另一方面提供用该多孔碳纤维电极制作的柔性超级电容器。碳纤维经高温烧蚀处理后具有较高的比表面积，能够储存大量能量；同时利用其柔性、导电性，与固态电解质配合，实现超级电容器可穿戴、便携、柔韧、可设计性强、高比电容、高比功率、循环寿命长等优点，在可穿戴、便携式智能纺织品领域显示出巨大的应用潜力。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
用于柔性超级电容器的多孔碳纤维电极的制备方法，该制备方法为：将碳纤维经过高温处理，具体为在400-800℃下进行高温烧蚀，烧蚀时间为20-120min。经过高温处理的碳纤维拥有更高的比表面积。
采用高温烧蚀处理后的碳纤维，在高温作用下碳纤维中掺杂的N，S，P等杂质会挥发出去，形成孔洞，大大提高了比表面积，使更多的电子附着在碳纤维的表面上，提高了比电容。同时，该碳纤维电极，其百分之九十五以上由碳元素组成，通过高温处理，质量进一步降低；产生的孔隙随着热处理温度升高，碳纤维的微晶长大，碳层排列更加有序，沿纤维轴向的取向度增加，这种变化会造成碳纤维的模量不断增加。
进一步，所述碳纤维为展纱处理后的超细旦化纤维，每束纤维内包含300-1000根单丝，若干束超细旦化纤维共捻形成捻距为1-5mm的螺旋结构。
进一步，为了获得合适的孔隙率，烧蚀碳纤维过程中，碳纤维中引入第二相纤维作为调控烧蚀速度的介质，具体是，所述碳纤维为展纱处理后的超细旦化纤维，每束纤维内包含300-1000根单丝，与第二相纤维混捻形成捻距为1-5mm的螺旋结构。
本发明采用宽展后的碳纤维，纤维排列更加有序，沿轴向的弹性模量进一步增大。同时，由于排列规则，其电阻也大大降低，进一步提高了导电率。
进一步，所述第二相纤维为超高分子量聚乙烯纤维、聚醚醚酮纤维、聚苯硫醚纤维、聚酰亚胺纤维中的一种。
柔性超级电容器，包括正负两个电极和电解质，所述电极采用多孔碳纤维电极，所述电解质为H2SO4/PVA凝胶电解质。
柔性超级电容器的制备方法，该柔性超级电容器采用扭曲式结构进行搭建，并使用H2SO4/PVA凝胶电解质进行正负电极的隔离及整体结构的固定，具体是将H2SO4/PVA凝胶电解质加热到60-80℃下涂覆在多孔碳纤维电极上，冷却至室温，再将多孔碳纤维电极进行扭曲缠绕，最后再次按照上述方式进行涂覆、冷却，得到一种柔性超级电容器。储能电解质直接存储于纤维的孔洞和捻股结构的间隙中，进而实现柔性、高效储能。
该制备方法预先对多孔碳纤维电极涂敷，能够防止由于正负极的接触而导致的短路。最终的固定依然通过电解质实现，可以减少其他杂质的混入导致电阻增大影响超级电容器的性能。
该柔性超级电容器的工作原理是在库伦力、分子及原子间作用力的相互影响下，电极与电解质接触的界面上出现稳定的、符号相反的双层电荷。充电时，在两电极上施加电场，在电场的作用下，电解质中的阴阳离子分别向正负两极移动，从而形成双电层; 撤去电场后，利用同种电荷相互排斥异种电荷相互吸引的性质，实现双电层的稳定，产生稳定的电势差。放电时， 将电极与外电路连通，在电势差的作用下，电子发生定向移动形成外电流。此时吸附在电极表面上的阴阳离子回到电解质本体，双电层解体。由此，完成一次能量的储存与转换。
该柔性超级电容器在可穿戴、便携式智能纺织品领域应用，如发热手套、发热背心、发光衣服、心电图监测等方面的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明采用一种新的手段-超细化、异相高温烧蚀制备多孔碳纤维电极，高温烧蚀后的碳纤维拥有更大的比表面积，能够储存大量能量。同时与固态电解质配合，使超级电容器具有柔性、可设计性强、高比电容、高比功率、循环寿命长等优点，使超级电容器在可穿戴、便携式智能纺织品领域显示出巨大的应用潜力。
2、本发明的碳纤维电极与固态电解质配合使用，固态电解质能够在提供离子的同时实现结构固定的目的，也实现了超级电容器更加安全便携地为电子设备进行充电。
3、本发明的碳纤维电极比重低、柔性好，并且具有性能优异的力学性能、高的拉伸强度和模量，可以根据实际应用情况进行任意的弯折和编织，拓宽了应用范围。
附图说明
图1为本发明柔性超级电容器的结构图；
图2为本发明柔性超级电容器的电极上孔洞结构图；
图中，1、正电极，2、负电极，3、电解质，4、孔洞。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供用于柔性超级电容器的多孔碳纤维电极的制备方法，该制备方法为：将碳纤维经过高温处理，具体为在400-800℃下进行高温烧蚀，烧蚀时间为20-120min，经过高温处理的碳纤维拥有更高的比表面积。本发明采用的烧蚀温度可以为400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃；烧蚀时间可以为20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min、60min、65min、70min、75min、80min、85min、90min、95min、100min、105min、110min、115min、120min。采用高温烧蚀处理后的碳纤维，在高温作用下碳纤维中掺杂的N，S，P等杂质会挥发出去，形成孔洞，大大提高了比表面积，使更多的电子附着在碳纤维的表面上，提高了比电容。同时，该碳纤维电极，其百分之九十五以上由碳元素组成，通过高温处理，质量进一步降低；产生的孔隙随着热处理温度升高，碳纤维的微晶长大，碳层排列更加有序，沿纤维轴向的取向度增加，这种变化会造成碳纤维的模量不断增加。
本发明中用于高温烧蚀的碳纤维为展纱处理后的超细旦化纤维，每束纤维内包含300-1000根单丝，若干束超细旦化纤维共捻形成捻距为1-5mm的螺旋结构。具体可以为采用2束超细旦化纤维共捻形成捻距为5mm的螺旋结构；或采用3束超细旦化纤维共捻形成捻距为4mm的螺旋结构；或采用5束超细旦化纤维共捻形成捻距为3mm的螺旋结构；或采用7束超细旦化纤维共捻形成捻距为1mm的螺旋结构。
本发明用于高温烧蚀的碳纤维还可以为展纱处理后的超细旦化纤维，每束纤维内包含300-1000根单丝，与第二相纤维混捻形成捻距为1-5mm的螺旋结构。具体可以为1束超细旦化纤维与1束超高分子量聚乙烯纤维混捻形成捻距为5mm的螺旋结构；或1束超细旦化纤维与1束聚醚醚酮纤维混捻形成捻距为5mm的螺旋结构；或1束超细旦化纤维与1束聚苯硫醚纤维混捻形成捻距为5mm的螺旋结构；或1束超细旦化纤维与1束聚酰亚胺纤维混捻形成捻距为5mm的螺旋结构；或者是多束超细旦化纤维与多束超高分子量聚乙烯纤维或聚醚醚酮纤维或聚苯硫醚纤维或聚酰亚胺纤维混捻。
本发明中上述参数可以任意组合。
实施例1
本实施例提供一种用于柔性超级电容器的多孔碳纤维电极的制备方法，具体是：
将展纱处理后的每束纤维中包含1000根单丝的超细旦化纤维与超高分子量聚乙烯纤维共捻形成捻距为5mm的螺旋结构，然后在800℃下烧蚀60min，获得多孔碳纤维电极。
实施例2
如图1所示，本实施例的超级电容器包括正电极1、负电极2和电解质3，所述正电极1、负电极2采用实施例1的多孔碳纤维电极，所述电解质3采用H2SO4/PVA凝胶电解质。
实施例3
本实施例提供柔性超级电容器的制备方法，采用扭曲式结构进行搭建，并使用H2SO4/PVA凝胶电解质进行正负电极的隔离及整体结构的固定，具体是将H2SO4/PVA凝胶电解质在60℃下涂覆在多孔碳纤维电极上，冷却至室温，再将多孔碳纤维电极进行扭曲缠绕，具体可以是将其中一个多孔碳纤维电极固定，另一个多孔碳纤维电极绕其缠绕，最后再在上述条件下将H2SO4/PVA凝胶电解质涂覆在扭曲缠绕后的超级电容器上，再次进行冷却固定，最终得到一种碳纤维基柔性超级电容器。最终的整体结构如图1所示，在电极上存在孔洞4，如图2所示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种提高用于柔性超级电容器的多孔碳纤维电极导电性的方法，其特征在于，所述柔性超级电容器采用扭曲式结构进行搭建，并使用H2SO4/PVA凝胶电解质进行正负电极的隔离及整体结构的固定，具体是将H2SO4/PVA凝胶电解质加热到60℃下涂覆在多孔碳纤维电极上，冷却至室温，再将多孔碳纤维电极进行扭曲缠绕，最后再次按照上述方式进行涂覆、冷却，得到一种柔性超级电容器；其中，所述多孔碳纤维电极的制备过程为：
将展纱处理后的每束纤维中包含1000根单丝的超细旦化纤维与作为调控烧蚀速度的第二相纤维超高分子量聚乙烯纤维共捻形成捻距为5mm的螺旋结构，然后在800℃下烧蚀60min，去除超细旦化纤维中掺杂的N，S，P杂质，获得多孔碳纤维电极。
CN201911389289.XA 2019-12-30 2019-12-30 用于柔性超级电容器的多孔碳纤维电极的制备方法、柔性超级电容器及其制备方法 Active CN111146010B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911389289.XA CN111146010B (zh) 2019-12-30 2019-12-30 用于柔性超级电容器的多孔碳纤维电极的制备方法、柔性超级电容器及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911389289.XA CN111146010B (zh) 2019-12-30 2019-12-30 用于柔性超级电容器的多孔碳纤维电极的制备方法、柔性超级电容器及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111146010A CN111146010A (zh) 2020-05-12
CN111146010B true CN111146010B (zh) 2022-02-18

Family

ID=70521549

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911389289.XA Active CN111146010B (zh) 2019-12-30 2019-12-30 用于柔性超级电容器的多孔碳纤维电极的制备方法、柔性超级电容器及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111146010B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103225135A (zh) * 2013-05-09 2013-07-31 中国科学院化学研究所 多孔碳纤维及其制备方法与应用
CN103779110A (zh) * 2014-01-27 2014-05-07 华南理工大学 一种线状柔性全碳超级电容器电极的制备方法及应用
CN105463628A (zh) * 2016-02-03 2016-04-06 中国石油大学(华东) 一种柔性多孔碳纤维的制备方法
CN106082169A (zh) * 2016-06-15 2016-11-09 太原理工大学 基于废旧纤维素纤维的碳材料制备方法
CN106229053A (zh) * 2016-09-20 2016-12-14 芜湖航天特种电缆厂股份有限公司 髙抗拉、耐高温、阻燃、柔软防波套及其制备方法
CN207116238U (zh) * 2017-09-05 2018-03-16 中华人民共和国日照出入境检验检疫局 一种可拉伸储能纤维电容器

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101979097B1 (ko) * 2017-08-01 2019-05-15 서강대학교산학협력단 활성화된 3차원 탄소 네트워크 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전극

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103225135A (zh) * 2013-05-09 2013-07-31 中国科学院化学研究所 多孔碳纤维及其制备方法与应用
CN103779110A (zh) * 2014-01-27 2014-05-07 华南理工大学 一种线状柔性全碳超级电容器电极的制备方法及应用
CN105463628A (zh) * 2016-02-03 2016-04-06 中国石油大学(华东) 一种柔性多孔碳纤维的制备方法
CN106082169A (zh) * 2016-06-15 2016-11-09 太原理工大学 基于废旧纤维素纤维的碳材料制备方法
CN106229053A (zh) * 2016-09-20 2016-12-14 芜湖航天特种电缆厂股份有限公司 髙抗拉、耐高温、阻燃、柔软防波套及其制备方法
CN207116238U (zh) * 2017-09-05 2018-03-16 中华人民共和国日照出入境检验检疫局 一种可拉伸储能纤维电容器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
合成纤维产业现状和未来发展方向;韩凤山;《合成纤维工业》;20061231;第29卷(第6期);32-35页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111146010A (zh) 2020-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. Advances in flexible and wearable energy‐storage textiles
Huang et al. Textile‐based electrochemical energy storage devices
Pu et al. Wearable self‐charging power textile based on flexible yarn supercapacitors and fabric nanogenerators
Pan et al. Novel wearable energy devices based on aligned carbon nanotube fiber textiles
Wen et al. Self-powered textile for wearable electronics by hybridizing fiber-shaped nanogenerators, solar cells, and supercapacitors
CN103066314B (zh) 一种织物形态的聚合物电池及其制备方法
US10199180B2 (en) Fabric supercapacitor
CN105826090A (zh) 一种聚苯胺纳米电极材料的制备方法
CN107275121B (zh) 一种具有自愈合的超级电容器及其制备方法
CN109390559A (zh) 一种柔性电极的制备及基于该电极的柔性储能器件
KR20180125408A (ko) 전고체 전지용 전극 및 이를 제조하는 방법
CN109065367B (zh) 一种石墨烯/二氧化锰基非对称同轴纤维超级电容器及其制备和应用
CN106971860A (zh) 一种MnO2@石墨烯纤维超级电容器电极材料的制备方法
CN105845445A (zh) 能存储/释放电荷的复合材料结构件及其制备方法和应用
Zhang et al. Flexible quasi-solid-state zinc-ion hybrid supercapacitor based on carbon cloths displays ultrahigh areal capacitance
CN110010370B (zh) 一种柔性全固态电极或超级电容器及其制备方法
CN111146010B (zh) 用于柔性超级电容器的多孔碳纤维电极的制备方法、柔性超级电容器及其制备方法
Qu et al. Alternately dipping method to prepare graphene fiber electrodes for ultra-high-capacitance fiber supercapacitors
CN106592009B (zh) 超高电导率聚合物纤维、线状超级电容器组及其制备方法
CN110136994A (zh) 一种高能量密度的纤维状超级电容器及其制备方法
CN111354576B (zh) 织物基柔性超级电容器及其制造方法
CN113838680A (zh) 一种可穿戴全柔性固态电致变色超级电容器及其制作方法
CN112216518B (zh) 一种柔性锌离子混合电容器及其制备方法和应用
CN110172771B (zh) 一种新型可穿戴的超级电容器织物及其制备方法
CN109326450A (zh) 一种柔性碳纤维基染料敏化太阳能电池对电极材料及制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant