可弯曲的纱型超级电容器制造技术

本发明专利技术涉及一种碳纳米管/二氧化锰纱电极，其包括：纱型碳纳米管纱，所述碳纳米管纱是通过扭转碳纳米管片材而制备的，且其中具有多个孔；和沉积于所述碳纳米管纱的表面上和内孔中的二氧化锰，本发明专利技术还涉及一种包括所述碳纳米管/二氧化锰纱电极的纱型超级电容器。该超级电容器具有优异的机械强度和柔性，同时还具有高的比容量、能量密度和功率密度，从而即使在几种改变如扭转、弯曲和编织的条件下仍保持优越的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种柔性纱电极和包括该纱电极的纱型超级电容器。更具体地，本专利技术涉及一种纱电极和包括该纱电极的纱型超级电容器，该纱电极是通过将碳纳米管片材扭转成纱，并将二氧化锰沉积到该纱上而制备的。
技术介绍
柔性的、轻量的和高功率的能源设备引起了广泛的关注，该设备用于可穿戴的智能布料和小型化电子设备应用。为了满足这些应用的要求，最近的研究重点放在能源设备从三维或二维(3D，2D)型到一维(1D)纤维结构的维度转换。这种趋势在能源产生或转换领域较好地得到证实，例如，纤维光伏电池、纤维压电发电机、纤维热电发电机和纤维生物燃料电池。对于作为具有高水平电功率和长寿命的下一代储能介质之一的超级电容器，近期报道了纳米线-微纤维混杂结构的超级电容器、墨水修饰的金属线超级电容器和集成自供电系统的超级电容器。然而，这类纤维超级电容器仍然具有制备方法复杂和结构复杂的缺陷，并且具有低的柔性。纤维超级电容器仅可轻微弯曲，这限制了其在要求柔性的大型设备以及可穿戴且便携的电子设备中的应用。同时，实现超级电容器较高的电化学性能是另一个重要问题。尤其对基于二氧化锰(MnO2)的超级电容器来说，二氧化锰是一种用作赝电容材料的有前景的过渡金属氧化物，其具有高理论电容、低成本、天然丰度和环境友好性，克服MnO2的差的电导率(10-5至10-6S/cm)仍是优化其电荷储存性能需要解决的不可避免的挑战。因此，几个研究小组引入一些结构r>策略用于电极设计，以通过并入金属氧化物或金属类纳米结构作为有效的电子通道来提高电导率和促进MnO2的充分利用。例如，已经在现有集电极的表面上生长各种纳米线如SnO2、ZnO、ZnSnO4、Co3O4和WO3，并在其上沉积纳米级的MnO2以制造核壳结构的混合型电极[(a)J.Yan等，ACSNano2010,4,4247；(b)J.Bae等，Angew.Chem.,Int.Ed.2011,50,1683；(c)L.Bao等，NanoLett.2011,11,1215；(d)J.Liu等，AdvMater.2011,23,2076；(e)X.Lu等，AdvMater.2012,24,938]。此外，已经合成了Mn的纳米管阵列，使管表面氧化以制成二氧化锰/锰/二氧化锰的三明治结构电极[Q.Li等，NanoLett.2012,12,3803]。这类设计独特的结构已经有效地实现了高的电解质表面积和快速的电荷储存过程，这导致了高的比电容和倍率性能。然而，这些电极需要复杂的多步骤制造方法用于生长纳米结构，并且它们对机械形变如折叠或扭曲敏感，从而不适用于实际应用。韩国专利第1,126,784号公开了一种具有非织造织物结构的混合型超级电容器，其中二氧化锰沉积在通过电纺丝制备的PAN类碳纳米纤维上。该混合型超级电容器展示出高电容的赝电容器和双层电容器两者的功能，实现了高的能量密度和功率密度。然而，由于其较低的拉伸应变或柔性，该混合型超级电容器难以应用于经受高应变率的电子设备和可穿戴且便携的电子织物。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题因此，本专利技术旨在提供一种基于二氧化锰和高柔性且轻量的碳纳米管纱型结构的柔性纱电极，其在用作超级电容器电极时展示出高的功率密度和良好的电容特性。本专利技术还旨在提供一种包括该碳纳米管/二氧化锰纱电极的纱型超级电容器，其即使在柔性条件下也具有高的能量储存性能，并且可加工到可穿戴织物中。解决问题的手段本专利技术的一个方面提供一种包括具有内孔的碳纳米管纱和沉积于碳纳米管纱的表面上和内孔中的二氧化锰的碳纳米管/二氧化锰纱电极，所述碳纳米管纱是通过扭转碳纳米管片材而制备的。根据本专利技术的一个实施方案，碳纳米管纱可以具有在扭转过程中形成的孔和叠层结构。碳纳米管纱是通过每米7000至12000次地扭转1至5个碳纳米管片材而制备的。根据本专利技术的一个实施方案，碳纳米管纱可以具有15μm至30μm的直径。根据本专利技术的一个实施方案，二氧化锰可以在碳纳米管纱的表面上沉积至100nm至500nm的厚度，在碳纳米管纱的表面下沉积至1μm至5μm的深度。根据本专利技术的一个实施方案，基于碳纳米管/二氧化锰纱电极的总重量，二氧化锰可以以4.0重量％至6.0重量％的量存在。根据本专利技术的一个实施方案，孔可以包括直径为2nm至50nm的介孔和直径为50nm至1000nm的大孔，碳纳米管纱可以具有40％至80％的孔隙率。根据本专利技术的一个实施方案，碳纳米管纱可以具有20°至40°的倾斜角，并且可以被扭转成右捻(Z形捻向)或左捻(S形捻向)。本专利技术的另一方面提供一种包括该碳纳米管/二氧化锰纱电极的电极织物。本专利技术的另一方面提供一种柔性的、可弯曲的、可打结的且可编织的纱型超级电容器，其包括该碳纳米管/二氧化锰纱电极。本专利技术的又一方面提供一种柔性的、可弯曲的、可打结的且可编织的固态复合纱型超级电容器，其包括作为第一电极的该碳纳米管/二氧化锰纱电极，与第一电极相同类型的第二电极，和涂覆于两个电极上的聚乙烯醇-氢氧化钾固体电解质。根据本专利技术的一个实施方案，固态复合纱型超级电容器可以具有20至40F/cm3的最大体积比电容。专利技术效果本专利技术的纱电极是通过将碳纳米管片材扭转成纱，并将二氧化锰沉积到该纱上而制备的。本专利技术的超级电容器使用该纱电极。本专利技术的超级电容器由于其高度的内孔结构、卓越的机械性能和良好的电导率而具有非常高的性能，并在施加的形变如弯曲、扭转或编织的条件下保持其高的电化学性能。附图说明图1显示了碳纳米管(CNT)/二氧化锰(MnO2)纱(下文简称为“CMY”)的扫描电子显微镜(SEM)图像，其是通过将碳纳米管片材扭转成具有内孔的碳纳米管纱，并将二氧化锰电化学沉积到实施例1.2的碳纳米管纱的表面上和内孔中而制备的。图1的(a)是CMY的概览SEM图像。假设CMY是圆柱形的，计算体积为3.1×10-6cm3。图1的(b)是碳纳米管纱的放大SEM图像，其具有叠层结构和在扭转碳纳米管片材时形成的内孔。图1的(c)是CMY的放大SEM图像，其中通过沉积沿表面、叠层结构和内孔形成花朵形的二氧化锰颗粒的涂层。图2显示了实施例1.2中制备的CMY电极的MnO2涂层的X射线光电子能谱(XPS)的结果，用于确定氧化态。如通过XPS所分析的，图2的(a)和(b)分别显示出Mn2p和O1s成分的结合能。图3显本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管/二氧化锰纱电极，其包括具有内孔的碳纳米管纱和沉积于所述碳纳米管纱的表面上和内孔中的二氧化锰，所述碳纳米管纱是通过扭转碳纳米管片材而制备的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.17 KR 10-2013-01568501.一种碳纳米管/二氧化锰纱电极，其包括具有内孔的碳纳米管纱和
沉积于所述碳纳米管纱的表面上和内孔中的二氧化锰，所述碳纳米管纱是
通过扭转碳纳米管片材而制备的。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管/二氧化锰纱电极，其中所述碳纳米
管纱是通过扭转1至5个碳纳米管片材而制备的，并且包括在扭转过程中形
成的叠层结构。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管/二氧化锰纱电极，其中所述碳纳米
管纱是通过每米7000至12000次地扭转碳纳米管片材而制备的。
4.根据权利要求1所述的碳纳米管/二氧化锰纱电极，其中所述碳纳米
管纱具有15μm至30μm的直径。
5.根据权利要求1所述的碳纳米管/二氧化锰纱电极，其中所述二氧化
锰在所述碳纳米管纱的表面上沉积至100nm至500nm的厚度，在所述碳纳米
管纱的表面下沉积至1μm至5μm的深度。
6.根据权利要求1所述的碳纳米管/二氧化锰纱电极，其中基于所述碳
纳米管/二氧化锰纱电极的总重量，所述二氧化锰以4.0重量％至6.0重量％的
量存在。
7.根据权利要求1所述的碳纳米管/二氧化锰纱电极，其中所述孔包括
直径为2nm至50nm的介孔和直径为50nm至1...

【专利技术属性】
技术研发人员：金善贞，崔昌洵，
申请(专利权)人：汉阳大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：韩国;KR