一种纳米纤维基一体化薄膜超级电容器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米纤维基一体化薄膜超级电容器的制备方法，包括以下步骤：将聚乙烯醇(PVA)的水溶液加入纤维素纳米纤维(CNFs)的水分散液中并分散均匀，得到PVA与CNFs的混合液；取异丙醇加入PVA与CNFs的混合液，搅拌均匀后，将混合液通过冻融法得到高离子电导率纳米纤维基水凝胶膜；将导电材料与PVA混合均匀后涂覆在纳米纤维基水凝胶膜两侧，再次通过冻融法形成导电凝胶层，制得纳米纤维基一体化薄膜超级电容器。通过该方法制备得到的一体化薄膜超级电容器具有良好的生物相容性、柔韧性与优异的储电性能，可应用于可穿戴储能器件领域。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米纤维基一体化薄膜超级电容器及其制备方法
本专利技术涉及高分子材料领域，具体涉及一种纳米纤维基一体化薄膜超级电容器及其制备方法。
技术介绍
水凝胶是一种具有保水性的三维网络柔性材料，可以吸附电解液作为固态电解质应用到储能领域。纤维素纳米纤维(CNFs)作为一种高长径比与较大的表面活性的天然生物质材料，具有良好的生物相容性，可与高聚物分子链形成缠绕和氢键等物理作用，从而提高复合材料的力学与柔韧性能。超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的新型储能器件，具有功率密度高、充放电时间短等优势。随着轻质、柔性、甚至可穿戴电子设备的快速发展，为其提供能源的储能装置也需向柔性和高效方向发展。利用纳米纤维基水凝胶膜作为电容器隔膜，导电水凝胶层作为电极，制备一体化柔性超级电容器，可以实现电极材料与电解质的最大接触面积，降低界面效应，提高离子传输效率，其优异的储能性能和良好的力学性能、柔韧性，可应用于可穿戴、便携式储能器件等领域。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种纳米纤维基一体化薄膜超级电容器及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种纳米纤维基一体化薄膜超级电容器的制备方法，包括如下步骤：(1)利用冻融法制备纳米纤维基水凝胶膜；(2)配制导电材料与聚乙烯醇的混合溶液；(3)将步骤(2)所得混合溶液均匀涂覆在步骤(1)所得纳米纤维基水凝胶膜正反两面上，然后通过冻融法处理上述所得材料，得到以纳米纤维基水凝胶膜为隔膜、膜两面涂覆的导电材料分别作为正负电极的一体化薄膜超级电容器。聚乙烯醇在步骤(2)中的作用主要是粘结，将导电材料固着到膜表面，使形成的电极不易脱落，成为电极/隔膜/电极一体化储能器件。此外选用与膜主体一致的聚乙烯醇材料降低了电极材料与隔膜的界面效应。上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，所述利用冻融法制备纳米纤维基水凝胶膜的具体操作为：向纤维素纳米纤维水分散液中滴加聚乙烯醇水溶液并搅拌均匀，得到纤维素纳米纤维/聚乙烯醇的混合液，取异丙醇加入纤维素纳米纤维/聚乙烯醇的混合液中，利用冻融法，将混合液冷冻-解冻循环4～6次后得到纳米纤维基水凝胶膜。聚乙烯醇在步骤(1)中的作用是形成水凝胶膜的主体结构。上述的制备方法，优选的，所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为1％～10％；所述纤维素纳米纤维水分散液中纤维素纳米纤维的质量分数为0.3％～0.5％；纤维素纳米纤维水分散液与聚乙烯醇水溶液的质量比为1:(0.2～3)。聚乙烯醇质量分数低于1％溶液太稀，同体积情况下所成的膜过薄；聚乙烯醇质量分数高于10％，则溶液粘度过高，不易于纳米纤维的分散。纤维素纳米纤维质量分数过高，纳米纤维不易分散均匀；纤维素纳米纤维质量分数过低，不易成膜，此纤维素纳米纤维质量分数范围成膜效果较好。聚乙烯醇比例过大，所得凝胶膜偏硬，柔性降低；纤维素纳米纤维比例过大，所得凝胶膜强度低，易于破裂。上述的制备方法，优选的，所述向纤维素纳米纤维水分散液中滴加聚乙烯醇水溶液的分散过程是在功率为100W～150W的超声波作用下进行的，聚乙烯醇水溶液滴加速率1～2g/min，然后将上述混合液在40℃～70℃条件下搅拌并加热0.5～2小时。由于聚乙烯醇水溶液粘度大于纤维素纳米纤维水分散液，故向纤维素纳米纤维水分散液中滴加聚乙烯醇水溶液。在40℃～70℃条件下，纤维素纳米纤维与聚乙烯醇可以较好地分散均匀，且不会引起纤维素纳米纤维的高温降解。上述的制备方法，优选的，所述异丙醇的添加量为纤维素纳米纤维/聚乙烯醇混合液质量的10％～200％。异丙醇的作用是消泡。异丙醇添加量过高，使得不易成凝胶膜；添加量过低，几乎没有消泡效果。上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，所述步骤(1)中，冷冻-解冻过程培养皿始终保持敞口；冷冻-解冻过程的具体参数为冷冻温度为-50℃～-30℃，冷冻时间为2～5小时，解冻温度为10℃～30℃，解冻时间为2～5小时。上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，所述配制导电材料与聚乙烯醇的混合溶液的具体操作为：向导电材料的水分散液中以1～2g/min的速率滴加聚乙烯醇水溶液并搅拌均匀，得到导电材料/聚乙烯醇的混合溶液；所述导电材料的水分散液的质量分数为1wt％～15wt％；所述聚乙烯醇水溶液的质量分数为1wt％～10wt％；导电材料水分散液与聚乙烯醇水溶液质量比为(1～3)：1。导电材料水分散液的质量分数过高，则难以分散均匀；质量分数过低则浓度低，做成电极材料后的密度低。聚乙烯醇水溶液的质量分数低于1％，则溶液太稀，同体积情况下所成的膜过薄；质量分数高于10％，则溶液粘度过高，不易于纳米纤维的分散。上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，所述导电材料为聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、石墨烯(GR)、碳纳米管(CNT)和二氧化锰(MnO2)中的一种。这几种导电材料导电性能比较好，可分散在聚乙烯醇溶液中作为电极材料涂覆到凝胶隔膜上。上述的制备方法，优选的，所述步骤(3)中，将步骤(2)所得混合溶液均匀涂覆在步骤(1)所得纳米纤维基水凝胶膜正反两面上的量为单面涂覆50～200mg/100mm2；所述通过冻融法处理所得材料是指对所得材料进行冷冻-解冻4～6次；冷冻-解冻过程的具体参数为冷冻温度为-50℃～-30℃，冷冻时间为2～5小时，解冻温度为10℃～30℃，解冻时间为2～5小时。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种上述制备方法得到的纳米纤维基一体化薄膜超级电容器。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术采用的纳米纤维基水凝胶膜不仅无毒、可降解，具有良好的生物相容性，还有很高的柔韧性和优异的离子电导率。高离子电导率的实现得益于纳米纤维素表面丰富的磺酸基团，其可电离出供离子传输的载流子——氢离子。(2)本专利技术所制备的一体化薄膜超级电容器，相比现有的超级电容器，降低了电极材料与隔膜之间的界面效应，且具有很高的柔性，便于携带和保存，制备方法简便，成本较低。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1所制备的纳米纤维基水凝胶膜的离子电导率。(图中纳米纤维基水凝胶膜的离子电导率为3.55×10-2S-1·m，纯聚乙烯醇水凝胶膜的离子电导率为1.20×10-2S-1·m)。图2为本专利技术实施例2制备的纳米纤维基一体化薄膜超级电容器的照片及该薄膜超级电容器的循环伏安特性曲线。图3为本专利技术实施例2制备的纳米纤维基一体化薄膜超级电容器的恒电流充放电曲线。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本专利技术做更全面、细致地描述，但本专利技术的保护范围并不限于以下具体实施例。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本专利技术的保护范围。除非另有特别说明，本专利技术中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米纤维基一体化薄膜超级电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用冻融法制备纳米纤维基水凝胶膜；(2)配制导电材料与聚乙烯醇的混合溶液；(3)将步骤(2)所得混合溶液均匀涂覆在步骤(1)所得纳米纤维基水凝胶膜正反两面上，然后通过冻融法处理上述所得材料，得到以纳米纤维基水凝胶膜为隔膜、膜两面涂覆的导电材料分别作为正负电极的一体化薄膜超级电容器。

【技术特征摘要】
1.一种纳米纤维基一体化薄膜超级电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用冻融法制备纳米纤维基水凝胶膜；(2)配制导电材料与聚乙烯醇的混合溶液；(3)将步骤(2)所得混合溶液均匀涂覆在步骤(1)所得纳米纤维基水凝胶膜正反两面上，然后通过冻融法处理上述所得材料，得到以纳米纤维基水凝胶膜为隔膜、膜两面涂覆的导电材料分别作为正负电极的一体化薄膜超级电容器。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述利用冻融法制备纳米纤维基水凝胶膜的具体操作为：向纤维素纳米纤维水分散液中滴加聚乙烯醇水溶液并搅拌均匀，得到纤维素纳米纤维/聚乙烯醇的混合液，取异丙醇加入纤维素纳米纤维/聚乙烯醇的混合液中，利用冻融法，将混合液冷冻-解冻循环4～6次后得到纳米纤维基水凝胶膜。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为1％～10％；所述纤维素纳米纤维水分散液中纤维素纳米纤维的质量分数为0.3％～0.5％；纤维素纳米纤维水分散液与聚乙烯醇水溶液的质量比为1:(0.2～3)。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述向纤维素纳米纤维水分散液中滴加聚乙烯醇水溶液的分散过程是在功率为100W～150W的超声波作用下进行的，聚乙烯醇水溶液滴加速率1～2g/min，然后将上述混合液在40℃～70℃条件下搅拌并加热0.5～2小时。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述异丙醇的添加量...

【专利技术属性】
技术研发人员：卿彦，吴义强，刘柳，李新功，罗莎，李蕾，胡非羽，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43