TW201825728A - 儲能纖維與其所構成之儲能元件及其製備方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種儲能纖維與其所構成之儲能元件及其製備方法。本發明之儲能纖維主要包含有一靜電紡絲高分子纖維織物，一位於靜電紡絲高分子纖維織物表面的奈米銀顆粒層，以及一位於奈米銀顆粒層上的聚苯胺層。此儲能纖維可用以組構出可撓曲與拉伸的儲能元件。
Description
本發明係有關一種儲能纖維與其所構成之儲能元件及其製備方法。
隨著對輕便無負擔之穿戴式電子設備需求增加，為了追求薄型化的設計，具有可隨電子設備殼體或空間需求而彎曲設計的可撓性或可拉伸的儲能元件因應而生。可撓性儲能元件即為滿足此一需求而產生的儲能元件，但目前可撓性儲能元件主要是利用奈米碳管或石墨來製作，而其製程及價格往往過於複雜且昂貴。
有鑑於現有技術之缺失，本發明提出一種嶄新的儲能纖維與其所構成之儲能元件及其製備方法，以有效克服上述之該等問題。
本發明之主要目的在提供一種儲能纖維與其所構成之儲能元件及其製備方法，其所具有的可拉伸性與撓曲性能運用到各式穿戴電子元件上。
本發明之又一目的在提供一種儲能纖維與其所構成之儲能元件及其製備方法，其未使用奈米碳管或石墨等高單價材料，整體成本較低，且製程較為簡單。
本發明之另一目的在提供一種儲能纖維與其所構成之儲能元件及其製備方法，其使用聚乙烯醇(PVA)與磷酸之高分子水凝膠作為電解質，且不含電化學活性金屬，因此沒有爆炸疑慮。
本發明之再一目的在提供一種儲能纖維與其所構成之儲能元件及其製備方法，其利用靜電紡絲法方式所製作出的儲能纖維來製備儲能元件，不僅可以使儲能元件具有拉伸性，同時能提供較大的比表面積，增加儲能元件的比電容值。
為達上述目的，本發明提供一種儲能纖維，其主要包含有一靜電紡絲高分子纖維織物；一位於靜電紡絲高分子纖維織物表面的奈米銀顆粒層，以及一位於奈米銀顆粒層上的聚苯胺層。
本發明尚提供一種儲能元件，其包含有一第一儲能纖維、一靜電紡絲纖維隔離膜、一第二儲能纖維，與夾設於第一儲能纖維與第二儲能纖維之間並涵浸該靜電紡絲纖維隔離膜的聚電解質層。該第一儲能纖維與該第二儲能纖維各包含有一靜電紡絲高分子纖維織物；一位於靜電紡絲高分子纖維織物表面的奈米銀顆粒層，以及一位於奈米銀顆粒層上的聚苯胺層。
本發明更提供上述儲能元件的製作方法，其步驟包含有：首先，提供一第一儲能纖維與一第二儲能纖維，第一儲能纖維與第二儲能纖維各包含有一靜電紡絲高分子纖維織物，一位於靜電紡絲高分子纖維織物表面的奈米銀顆粒層；以及一位於奈米銀顆粒層上的聚苯胺層。隨後，於第一儲能纖維上形成一第一聚電解質層。接續，於第一聚電解層上設置一靜電紡絲纖維隔離膜。然後，於靜電紡絲隔離膜上形成一第二聚電解質層；最後，於第二聚電解層上設置第二儲能纖維。。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
請參閱第1圖，其係本發明之儲能纖維的結構示意圖。如圖所示，本發明之儲能纖維10包含有一靜電紡絲高分子纖維織物101；一奈米銀顆粒層(AgNPs)102，其係位於靜電紡絲高分子纖維織物101之表面上；以及一聚苯胺層(PANI) 103，其係位於奈米銀顆粒層102上。此靜電紡絲高分子纖維織物101的材質可為熱塑性聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物(SBS)。因此此儲能纖維10為SBS/AgNP/PANI層狀結構。
聚苯胺層103是利用滴定塗裝法(drop coating)形成於奈米銀顆粒層102上。奈米銀顆粒層102是利用還原反應沉積形成於靜電紡絲高分子纖維織物101之表面上。
請參閱第2圖，其係使用上述之儲能纖維10作為儲能元件之電極時的儲能元件結構示意圖。如圖所示，此儲能元件20包含有一第一儲能纖維10與一第二儲能纖維10’；一靜電紡絲纖維隔離膜201，其係位於第一儲能纖維10之聚苯胺層103與第二儲能纖維10’之聚苯胺層103、103’間；一聚電解質層202，其係夾設於第一儲能纖維10與第二儲能纖維10’間並涵浸此靜電紡絲纖維隔離膜201，也就是第一與第二儲能纖維10、10’各與靜電紡絲纖維隔離膜201間夾設有聚電解質層202、202’。
上述的靜電紡絲纖維隔離膜201可以是靜電紡絲高分子纖維織物所堆疊形成，材質可以同樣為熱塑性聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物(SBS)。上述的聚電解質層202包含有聚乙烯醇(PVA)與磷酸(H3
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)。
請一併參閱第2圖與第3圖，第3圖是本發明更提供此儲能元件的製作方法，其包含有下列步驟:
步驟S1：提供第一儲能纖維10；
步驟S2：於第一儲能纖維10上滴入聚電解質，以形成聚電解質層202；
步驟S3：將靜電紡絲纖維隔離膜201堆疊於聚電解質層202上；
步驟S4：於靜電紡絲纖維隔離膜201上滴入聚電解質，以形成另一聚電解質層202’；以及
步驟S5：於聚電解質層202’上堆疊第二儲能纖維10’，以獲得如第2圖所示之呈現片狀的儲能元件。
當然第二儲能纖維或第一儲能纖維之外側可以繼續依序為聚電解質、靜電紡絲纖維隔離膜與另一儲能纖維的堆疊型態，但此為熟悉該項技藝者所易於思及的技術，於此將不再贅述。
更者，除了上述採堆疊方式外，也可以採纏繞方式，形成如第4圖所示之儲能元件，而請一併參閱第5圖，其係第4圖之外觀呈現柱狀型態的儲能元件的製作方法，其包含有下列步驟：
步驟S11、提供第一儲能纖維10；
步驟S12、於第一儲能纖維10上滴入聚電解質，形成一聚電解質層202；
步驟S13、於聚電解質層202外表面纏繞靜電紡絲纖維隔離膜201；
步驟S14、於該靜電紡絲纖維隔離膜201上滴入聚電解質，以形成聚電解質層202’；以及
步驟S15、於聚電解質層202’外表面纏繞第二儲能纖維10’，以形成如第4圖所示之柱狀儲能元件。
請一併參閱第6(a)圖與第6(b)圖，第6(a)圖係本發明之儲能元件在未施加應力示意圖，而第6(b)圖為本發明之儲能元件在施加應力產生拉伸形變示意圖。如此可證明，本發明之儲能元件具有可拉伸性質。
請參閱第7圖，其係本發明之儲能元件相較於純聚苯胺與未滴定聚苯胺前的電流密度-電壓曲線圖(CV curve)。由圖中可知本發明之儲能元件、純聚苯胺與未滴定聚苯胺前的電容值分別為581、395以及17 g/F。故可得知使用靜電紡絲高分子纖維織物方式來製作儲能元件時，能提供較大的比表面積，以提升比電容值。
請參閱第8圖，其係本發明之儲能元件的充放電圖。由圖中可發現經過1000次充放電循環後，本發明之儲能元件仍然保有原電容值的60%。
請一併參閱第9(a)圖與第9(b)圖。第9(a)圖為本發明之儲能元件使用奈米銀顆粒層時，儲能元件拉伸到50%後，其電容值為470 g/F。而第9(b)圖為未滴定聚苯胺前，將銀電極拉伸到50%後的結果，其下降趨勢與本發明之儲能元件相似，故可初步判定使本發明之儲能元件電容值下降原因為使用奈米銀顆粒層。
請一併參閱第10(a)圖與第10(b)圖，其係本發明之儲能元件拉伸20%以及50%的拉伸穩定性測試結果。由圖中可發現拉伸20%仍可保有原電容值的60%，而拉伸50%時仍可保有原電容值的50%。
請一併參閱第11(a)圖與第11(b)圖，如圖所示，本發明之儲能元件可以彎曲或扭轉。
請參閱第12圖，其係第2圖所示之儲能元件堆疊三個時的CV圖。
綜上所述，利用靜電紡絲法方式所製作出的儲能纖維與儲能元件，不僅具有拉伸性，同時能提供較大的比表面積，增加儲能元件的比電容值。更者，所製得之儲能元件具有拉伸性與撓曲性將可應用於穿戴式電子元件。另一方面，本發明所教導的儲能元件並未使用奈米碳管或石墨等高單價材料，使整體成本較低或製程較為簡單。此外，本發明之儲能元件是使用聚乙烯醇(PVA)與磷酸之高分子水凝膠作為電解質，其不含電化學活性金屬，故無爆炸疑慮，相較之下更為安全。
10、10’‧‧‧儲能纖維
101、101’‧‧‧靜電紡絲高分子纖維織物
102、102’‧‧‧奈米銀顆粒層
103、103’‧‧‧聚苯胺層
20‧‧‧儲能元件
201‧‧‧靜電紡絲纖維隔離膜
202、202’‧‧‧聚電解質層
第1圖為本發明之儲能纖維的結構示意圖。 第2圖其係第1圖之儲能纖維作為電極時的儲能元件結構示意圖。 第3圖為第2圖之製作步驟流程。 第4圖為本發明之儲能元件的另一實施例示意圖。 第5圖為第4圖之儲能元件的製作步驟流程圖。 第6(a)圖為本發明之儲能元件在未施加應力圖。 第6(b)圖為本發明之儲能元件在施加應力時產生拉伸形變圖。 第7圖為本發明之儲能元件相較於純聚苯胺與未滴定聚苯胺的電流密度-電壓曲線圖(CV curve)。 第8圖為本發明之儲能元件的充放電圖。 第9(a)圖為本發明之儲能元件的電容值隨拉伸量變化的曲線圖。 第9(b)圖為未滴定聚苯胺時銀電極的電容值隨拉伸量變化的曲線圖。 第10(a)圖與第10(b)圖各為本發明之儲能元件拉伸20%與50%的拉伸穩定性測試結果。 第11(a)圖與第11(b)圖為本發明之儲能元件彎取或扭轉的圖片。 第12圖為本發明之儲能元件的CV圖。
Claims (16)
- 一種儲能纖維，其包含有: 一靜電紡絲高分子纖維織物； 一奈米銀顆粒層，其係位於該靜電紡絲高分子纖維織物之表面上；以及 一聚苯胺層(PANI)，其係位於該奈米銀顆粒層上。
- 如請求項1所述之儲能纖維，其中該靜電紡絲高分子纖維織物之材質為熱塑性聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物(SBS)。
- 如請求項1所述之儲能纖維，其中該聚苯胺層是利用滴定塗裝法(drop coating)形成於該奈米銀顆粒層上。
- 如請求項1所述之儲能纖維，其中該奈米銀顆粒層是利用還原反應沉積形成於該靜電紡絲高分子纖維織物之表面上。
- 一種儲能元件，其包含有： 一第一儲能纖維與一第二儲能纖維，該第一儲能纖維與該第二儲能纖維各包含有： 一靜電紡絲高分子纖維織物； 一奈米銀顆粒層，其係位於該靜電紡絲高分子纖維織物之表面上；以及 一聚苯胺層，其係位於該奈米銀顆粒層上； 一靜電紡絲纖維隔離膜，其係位於該第一儲能纖維之該聚苯胺層與該第二儲能纖維之該聚苯胺層間；以及 一聚電解質層，其係夾設於該第一儲能纖維與該第二儲能纖維間並涵浸該靜電紡絲纖維隔離膜。
- 如請求項5所述之儲能元件，其中該靜電紡絲高分子纖維織物之材質為熱塑性聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物(SBS)。
- 如請求項5所述之儲能元件，其中該靜電紡絲纖維隔離膜之材質為熱塑性聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物(SBS)。
- 如請求項5所述之儲能元件，其中該聚電解質層之成分包含有聚乙烯醇(PVA)與磷酸。
- 如請求項5所述之儲能元件，其中該儲能元件為片狀或柱狀。
- 一種儲能元件的製作方法，其包含有下列步驟： 步驟一、提供一第一儲能纖維與一第二儲能纖維，該第一儲能纖維與該第二儲能纖維各包含有一靜電紡絲高分子纖維織物，一位於該靜電紡絲高分子纖維織物表面的奈米銀顆粒層；以及一位於該奈米銀顆粒層上的聚苯胺層； 步驟二、於該第一儲能纖維之表面形成一第一聚電解質層； 步驟三、於該第一聚電解質層上設置一靜電紡絲纖維隔離膜； 步驟四、於該靜電紡絲纖維隔離膜上形成一第二聚電解質層；以及 步驟五、於該第二聚電解質層上設置該第二儲能纖維。
- 如請求項10所述之製作方法，其中該靜電紡絲高分子纖維織物之材質為熱塑性聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物(SBS)。
- 如請求項10所述之製作方法，其中該靜電紡絲纖維隔離膜與該第二儲能纖維是採堆疊或纏繞方式設置。
- 如請求項10所述之製作方法，其中該第一與該第二聚電解質層之成分包含有聚乙烯醇(PVA)與磷酸。
- 如請求項10所述之製作方法，其中該靜電紡絲纖維隔離膜之材質為熱塑性聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物(SBS)。
- 如請求項10所述之製作方法，其中該聚苯胺層是利用滴定塗裝法(drop coating)形成於該奈米銀顆粒層上。
- 如請求項10所述之製作方法，其中該奈米銀顆粒層是利用還原反應沉積形成於該靜電紡絲高分子纖維織物之表面上。
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