CN207116238U - 一种可拉伸储能纤维电容器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于储能器件技术领域，涉及一种可拉伸储能纤维电容器；其主体结构包括：碳纳米管纤维内层电极、固态凝胶电解质、碳纳米管薄膜外层电极、铜导线a、铜导线b；碳纳米管纤维内层电极、碳纳米管薄膜外层电极和固态凝胶电解质共同形成皮芯结构；碳纳米管纤维内层电极作为电容器的内层电极，其表面均匀涂覆固态凝胶电解质；碳纳米管薄膜均匀涂覆在固态凝胶电解质的表面，形成碳纳米管薄膜外层电极；可拉伸储能纤维电容器沿纤维轴向呈螺旋状，形成螺旋体；螺旋体连接有与外部电路电连接的两根铜导线，实现可拉伸储能纤维电容器的充放电；增强了储能纤维电容器的弹性和可拉伸性，提高了电容器的容量，便于制造可穿戴电子器件。

Description

一种可拉伸储能纤维电容器

技术领域

本实用新型属于储能器件技术领域，涉及一种可拉伸储能纤维电容器，特别是一种采用碳纳米管制备的螺旋结构柔性可拉伸储能纤维电容器。

背景技术

随着人们对电子器件便携化和可穿戴化日益增长的需求，越来越多的电子设备被要求具有柔性和可拉伸性，实现一个完整的可拉伸电子设备体系的必要条件是实现能源设备的可拉伸性。这里所说的能源设备包括电池，太阳能电池和超级电容器等，在这些能源设备中，超级电容器作为一种重要的能量存储装置，具有充放电迅速，功率密度大，循环稳定性优异，使用寿命长，环境友好等优点，传统的超级电容器通常是刚性和平面状的，无法适用于可穿戴的需求。而一维线形纤维状超级电容器具备独特的一维结构,具有体积小，柔韧性好和功率高等优点，还可以满足微型化、集成化和柔性化的可穿戴要求，可以很方便地被组合在微小的电子器件中或者编织成各种各样的结构，这一特性，使线形超级电容器在构成小型化设备、纺织电子、植入式医疗器械等领域成为了比传统二维，三维超级电容器更为有前景的储能器件。

制备可拉伸线形超级电容器的传统方法往往需要使用弹性材料作为基底来提供可拉伸性，由于外加的弹性纤维仅仅用于提供可拉伸性，并没有参与到能量的存储过程，因此会引起整个体系比重量和比体积储能性能的下降。碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，具有许多异常的力学、电学和化学性能，因此，采用碳纳米材料—碳纳米管，制备一种螺旋结构柔性可拉伸纤维电容器，提高该纤维的可拉伸性和储能容量，进一步满足超级电容器多功能性的发展要求,延长电容器使用寿命。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于克服现有技术存在的缺点，提出设计一种可拉伸储能纤维电容器，通过巧妙的螺旋结构设计，提高了储能纤维电容器的弹性和可拉伸性；并采用塑封操作，提高储能纤维电容器的稳定性、安全性和实用性；其防护性更强，使用寿命延长。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型的主体结构包括：碳纳米管纤维内层电极、固态凝胶电解质、碳纳米管薄膜外层电极、铜导线a、铜导线b；碳纳米管纤维内层电极、碳纳米管薄膜外层电极和固态凝胶电解质共同形成皮芯结构；碳纳米管纤维内层电极位于最内层，作为电容器的一个电极，其表面均匀涂覆固态凝胶电解质；碳纳米管薄膜均匀涂覆在固态凝胶电解质的表面，形成碳纳米管薄膜外层电极，作为电容器的另一个电极；所述的可拉伸储能纤维电容器沿纤维轴向呈螺旋状，形成螺旋体；碳纳米管纤维内层电极连接铜导线a，碳纳米管薄膜外层电极连接铜导线b，所述的可拉伸储能纤维通过铜导线a、铜导线b与外部电路电连接，从而实现可拉伸储能纤维电容器的充放电。

本实施例所述的螺旋体的外表面涂覆有硅橡胶涂层，提高了纤维的稳定性、安全性和实用性。

本实施例所述的碳纳米管纤维内层电极的直径为40-50um；碳纳米管薄膜外层电极的厚度为2-4um，固态凝胶电解质的厚度为10-15um；硅橡胶涂层的厚度为1-2mm。

本实施例所述的螺旋体4的螺距为0.05-0.4mm。

本实用新型与现有技术相比，通过采用螺旋结构设计，使储能纤维电容器的弹性和可拉伸性更强，提高了电容器的容量；并采用塑封处理，提高了纤维的稳定性、安全性和实用性；具有体积小，易弯折，可拉伸，安全稳定等优点；橡胶壳体的设置，使其防护性更强，并能够延长使用寿命；其结构简单，导电性能强，充放电快，便于制造可穿戴电子器件。

附图说明

图1为本实用新型整体结构原理示意图；

图2为本实用新型制备过程示意图；

图3为本实用新型塑封后的整体结构原理示意图；

图4为本实用新型橡胶壳体结构原理示意图；

图5为本实用新型外壳结构原理示意图；

图6为本实用新型内壳结构原理示意图；

其中，1碳纳米管纤维内层电极、2固态凝胶电解质、3碳纳米管薄膜外层电极、4螺旋体、5硅橡胶涂层、6铜导线a、7铜导线b、8橡胶壳体、81外壳、 82内壳、811第一卡槽、821第二卡槽、822凸块。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

下面通过具体实施例并结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

本实施例所述的可拉伸储能纤维电容器，其主体结构包括碳纳米管纤维内层电极1、固态凝胶电解质2、碳纳米管薄膜外层电极3、铜导线a6、铜导线b7；碳纳米管纤维内层电极1、碳纳米管薄膜外层电极3和固态凝胶电解质2共同形成皮芯结构；碳纳米管纤维内层电极1位于最内层，作为电容器的一个电极，其表面均匀涂覆固态凝胶电解质2；碳纳米管薄膜均匀涂覆在固态凝胶电解质2的表面，形成碳纳米管薄膜外层电极3，作为电容器的另一个电极；所述的可拉伸储能纤维电容器沿纤维轴向呈螺旋状，形成螺旋体4；碳纳米管纤维内层电极1连接铜导线a6，碳纳米管薄膜外层电极3连接铜导线b7，所述的可拉伸储能纤维通过铜导线a6、铜导线b7与外部电路电连接，从而实现可拉伸储能纤维电容器的充放电。

本实施例所述的螺旋体4的外表面涂覆有硅橡胶涂层5，提高了纤维的稳定性、安全性和实用性。

本实施例所述的碳纳米管纤维内层电极1的直径为40-50um；碳纳米管薄膜外层电极3的厚度为2-4um，固态凝胶电解质2的厚度为10-15um；硅橡胶涂层5的厚度为1-2mm。

本实施例所述的螺旋体4的螺距为0.05-0.4mm。

本实施例所述的可拉伸纤维电容器进行塑封处理，将市售ECOFLEX 00-30硅橡胶A液和B液按质量比为1:1比例置于培养皿中，并不断搅拌，混合均匀，得到未固化的硅橡胶预混物；将硅橡胶预混物置于真空烘箱中，在室温下抽真空，对硅橡胶预混物进行真空脱泡处理；然后将可拉伸纤维电容器浸没于硅橡胶预混物中，使螺旋体4被硅橡胶预混物涂覆，形成硅橡胶涂层5，以提高电容器的电化学性能；将硅橡胶涂层5在室温下固化12-24h后，硅橡胶涂层5固化，得到塑封的可拉伸储能纤维电容器，如图3所示；塑封过程提高了纤维的稳定性、安全性和实用性。

本实施例所述的碳纳米管纤维内层电极1采用浮动催化化学气相沉积法制备，将乙醇、二茂铁和噻吩分别作为化学气相沉积过程中的碳源、催化剂前驱体和促进剂；首先由氩氢混合气体携带含有体积百分比为1.0-1.4%的二茂铁和体积百分比为0.3-0.5%的噻吩的乙醇，注入化学气相反应炉中，注入速度为10-30 mL/h，反应炉温度大于1100 ℃；碳纳米管在炉中的高温反应区形成，并互相缠结成丝袜状气凝胶；然后将气凝胶抽出进行纺丝，从而得到长而均匀的碳纳米管纤维内层电极1。

本实施例所述的碳纳米管薄膜外层电极3采用浮动催化化学气相沉积法制备，其中碳纳米管气凝胶的制备方法与制备碳纳米管纤维内层电极1中气凝胶的制备方法相同；碳纳米管气凝胶形成后，将其连续地从反应炉中拉出并使用车轮在垂直于气体流动方向进行收集缠绕，得到碳纳米管薄膜；然后使用挥发性液体均匀滴于碳纳米管薄膜上，对碳纳米管薄膜进行致密化处理来提高其机械性能和物理性能；所述的挥发性液体为乙醇、丙酮的一种或多种。

本实施例所述的固态凝胶电解质2的制备过程包括：将4-6 g 浓硫酸与40-60 mL去离子水混合，然后在溶液中加入4-6 g 聚乙二醇粉末，形成混合物；将混合物在80-85℃条件下均匀搅拌，直至聚乙二醇粉末溶解且混合物变为澄清透明液态时停止搅拌，将溶液冷却至室温，得到硫酸/聚乙二醇水凝胶；所述的硫酸/聚乙二醇水凝胶粘度小，流动性大，呈液态；放置1-1.5h，水凝胶粘度会逐渐变大，最终变为具有弹性的固态胶状电解质。

本实施例所述的可拉伸储能纤维电容器在使用时，将线形结构的可拉伸储能纤维电容器拧曲使其形成螺旋体4，提高整个储能纤维的可拉伸性；将铜导线a6在螺旋体4一端连接碳纳米管纤维内层电极1，铜导线b7在螺旋体4另一端连接碳纳米管薄膜外层电极3；将可拉伸纤维电容器浸没于硅橡胶预混物中，使碳纳米管被硅橡胶预混物涂覆，室温条件下固化12-24h后，得到塑封的可拉伸储能纤维电容器；塑封过程提高了储能纤维电容器的稳定性、安全性和实用性；可拉伸储能纤维电容器通过铜导线a6、铜导线b7与外部电路电连接；通过将铜导线a6、铜导线b7连接于电源装置上，实现充电，通过将铜导线a6、铜导线b7与需要充电的器件连接，实现放电；本实施例所述的可拉伸储能纤维电容器能够用于纺织布料、可穿戴能源场合。

实施例2：

本实施例所述的可拉伸储能纤维电容器，还包括包裹在硅橡胶涂层5外层呈中空结构的橡胶壳体8；橡胶壳体8包括外壳81和内壳82；外壳81的直径大于内壳82的直径，内壳82嵌套在外壳81内部，能够相对于外壳81摩擦滑动；外壳81一端内侧设置有第一卡槽811；内壳82的一端外侧设置有与第一卡槽811匹配使用的第二卡槽821，保证外壳81和内壳82能够卡合在一起；内壳82另一端设置有凸块822，用于防止外壳81与内壳82相互分离；当外壳81和内壳82卡合重叠时，其长度与螺旋体4的长度相同，外壳81和内壳82相对拉伸的长度能够保证可拉伸储能电容器的拉伸长度；橡胶壳体8的设置，有利于保护电容器内部不收损害，延长其使用寿命，保证储能电容器电容器的柔性和可拉伸性。

上述具体实施方式仅是本实用新型的具体个案，本实用新型的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式的产品形态和式样，任何符合本实用新型权利要求书且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应落入本实用新型的专利保护范围。

Claims (5)

1.一种可拉伸储能纤维电容器，其特征在于：其主体结构包括碳纳米管纤维内层电极（1）、固态凝胶电解质（2）、碳纳米管薄膜外层电极（3）、铜导线a（6）、铜导线b（7）；碳纳米管纤维内层电极（1）、碳纳米管薄膜外层电极（3）和固态凝胶电解质（2）共同形成皮芯结构；碳纳米管纤维内层电极（1）位于最内层，作为电容器的一个电极，其表面均匀涂覆固态凝胶电解质（2）；碳纳米管薄膜均匀涂覆在固态凝胶电解质（2）的表面，形成碳纳米管薄膜外层电极（3），作为电容器的另一个电极；所述的可拉伸储能纤维电容器沿纤维轴向呈螺旋状，形成螺旋体（4）；碳纳米管纤维内层电极（1）连接铜导线a（6），碳纳米管薄膜外层电极（3）连接铜导线b（7），所述的可拉伸储能纤维通过铜导线a（6）、铜导线b（7）与外部电路电连接，从而实现可拉伸储能纤维电容器的充放电。

2.根据权利要求1所述的可拉伸储能纤维电容器，其特征在于：所述的螺旋体（4）的外表面涂覆有硅橡胶涂层（5）。

3.根据权利要求2所述的可拉伸储能纤维电容器，其特征在于：所述的碳纳米管纤维内层电极（1）的直径为40-50um；碳纳米管薄膜外层电极（3）的厚度为2-4um，固态凝胶电解质（2）的厚度为10-15um；硅橡胶涂层（5）的厚度为1-2mm。

4.根据权利要求1所述的可拉伸储能纤维电容器，其特征在于：所述的螺旋体（4）的螺距为0.05-0.4mm。

5.根据权利要求1所述的可拉伸储能纤维电容器，其特征在于：还包括包裹在硅橡胶涂层（5）外层呈中空结构的橡胶壳体（8）；橡胶壳体（8）包括外壳（81）和内壳（82）；外壳（81）的直径大于内壳（82）的直径，内壳（82）嵌套在外壳（81）内部，能够相对于外壳（81）摩擦滑动；外壳（81）一端内侧设置有第一卡槽（811）；内壳（82）的一端外侧设置有与第一卡槽（811）匹配使用的第二卡槽（821），保证外壳（81）和内壳（82）能够卡合在一起；内壳（82）另一端设置有凸块（822）；当外壳（81）和内壳（82）卡合重叠时，其长度与螺旋体（4）的长度相同，外壳（81）和内壳（82）相对拉伸的长度能够保证可拉伸储能电容器的拉伸长度。