一种基于复合纱线的柔性超级电容器的制备方法技术

本发明专利技术属于电容器的制备技术领域，具体公开了一种基于金属丝/棉线/聚合物复合纱线的柔性超级电容器的制备方法，超级电容器表面含金属丝、棉线、导电聚合物，制备过程为：将金属丝与棉线进行混纺得到金属丝/棉线复合纱线，然后浸渍PEDOT:PSS溶液；以浸渍后的复合纱线、Ag/AgCl和铂片分别为工作电极、参比电极和对电极，在吡咯溶液中进行电化学沉积使其表面形成聚吡咯，再经水洗、干燥，获得纱线形复合电极；将两根纱线形复合电极缠绕组装成线状超级电容器。本发明专利技术的制备方法操作简单，器件具有较高的柔韧性和可编织特性，且多个超级电容器可进行串联和并联以分别提高电压和电流的优点，工艺简单，容易工业化生产。

A Fabrication Method of Flexible Supercapacitor Based on Composite Yarn

The invention belongs to the field of capacitor preparation technology, and specifically discloses a preparation method of flexible supercapacitor based on wire/cotton/polymer composite yarn. The surface of the supercapacitor contains metal wire, cotton thread and conductive polymer. The preparation process is as follows: metal wire/cotton composite yarn is blended with cotton thread, and then impregnated with PEDOT:PSS solution after impregnation; Composite yarn, Ag/AgCl and platinum sheet are working electrodes, reference electrodes and pair electrodes respectively. Polypyrrole is formed on the surface of the composite yarn by electrochemical deposition in pyrrole solution. After washing and drying, the composite yarn electrodes are obtained. Two composite yarn electrodes are wound and assembled into linear supercapacitors. The preparation method of the invention has the advantages of simple operation, high flexibility and knittability of the device, and multiple supercapacitors can be connected in series and in parallel to increase voltage and current respectively. The process is simple and easy to industrialize production.

【技术实现步骤摘要】
一种基于复合纱线的柔性超级电容器的制备方法
本专利技术涉及超级电容器
，具体涉及一种基于钢丝/棉线/聚合物复合纱线的柔性超级电容器的制备方法。
技术介绍
近年来，作为能量储存器件的超级电容器因具有较高的比容量及功率密度而得到广泛的关注。为适应可携带、可纺织的电子器件的发展需求，需要研发高柔性、高能量密度的超级电容器。线状柔性超级电容器因其具有高柔韧性，轻质量及可编织性近年来更加受到人们的青睐。目前，多种类型的线状超级电容器已被报道，包括氧化石墨烯纤维、碳纳米管纱线、金属丝、碳纤维等。而以上电极的制备大都存在着一定的缺陷，如干纺的CNT纱线存在成本较高、氧化石墨烯纤维的导电率较低、金属丝的比表面积小等问题，以上缺陷极大地限制了活性材料在基底上的负载量。棉纱由于具有多孔性、较好的柔韧性、廉价、无污染、能够负载较多的活性材料等特性常被应用于超级电容器中。Li等人在棉布上负载Co-AlLDH纳米阵列并组装了非对称的超级电容器器件(NatureCommunications,2015,7,11586)，得到了较大的比能量密度，而其器件的可编织特性较差；Wan等人将棉线活化后作为基底(JournalofPowerSources,2016,327,365-373)，负载碳纳米管及石墨烯凝胶组装了线状超级电容器，而其导电性较差，器件的比电容为97.73μF/cm。本课题组的碳纳米管纱线的专利申请(201510698568.X)，利用碳纳米管与金属丝相互缠绕，极大的提高集流体的导电性，但其导电基底的成本较高，且碳纳米管纱线的制备过程相对复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述技术问题，提供一种基于金属丝/棉线/聚合物复合纱线柔性超级电容器制备方法。本专利技术的制备方法操作简单，制备的器件具有较高的柔韧性能，可编织能力强，多个超级电容器进行串、并联可分别提高电压、电流，无需特殊设备就容易实现规模化生产。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于金属丝/棉线/聚合物复合纱线的柔性超级电容器的制备方法，其依次包括以下步骤：(1)利用环锭纺纱法制备金属丝/棉线复合纱线SS/Cotton，所得SS/Cotton复合纱线的线密度为50tex：原料金属丝与棉线的质量比为0.15-0.5:1，所述金属丝为钢丝、铂丝、银丝、铜丝、钯丝、镍丝、金丝中的一种或者其中两种以上的合金丝，所述金属丝的直径为6～10微米；棉线为全棉线，直径为8～15微米；(2)分别将两根SS/Cotton复合纱线放入二甲亚砜、氟碳表面活性剂、PEDOT:PSS及水的混合溶液中浸渍1-5分钟后取出，用去离子水冲洗干净，真空干燥除去水分，获得含PEDOT:PSS的复合纱线SS/Cotton-PEDOT:PSS；(3)分别以步骤(2)中的两根SS/Cotton-PEDOT:PSS复合纱线作为工作电极，以Ag/AgCl电极和铂片分别作为参比电极和对电极，电压为0.5～1V条件下，在电解液中进行电化学沉积10～1500s，然后取出纱线，用去离子水洗涤后，于真空下干燥，即得到纱线形复合电极SS/Cotton-PEDOT:PSS-PPy，其中，所述电解液为高氯酸钠、吡咯及水的混合溶液；(4)分别在两根干燥后的SS/Cotton-PEDOT:PSS-PPy纱线形复合电极表面涂覆聚乙烯醇-磷酸溶胶，然后于室温下干燥；(5)将步骤(4)制备的两根含聚乙烯醇-磷酸凝胶的SS/Cotton-PEDOT:PSS-PPy纱线形复合电极缠绕在一起形成超级电容器。进一步的，步骤(1)中金属丝/棉线的质量比为0.25-0.5:1，最优的为0.5：1。进一步的，步骤(1)中所述金属丝为钢丝，优选为含碳量为0.08～0.2％的钢丝。进一步的，步骤(2)中所述二甲亚砜、氟碳表面活性剂、PEDOT:PSS与水的质量比为1.5：5～10：1～5：98.5，优选为1.5：5～10：5：98.5。进一步的，步骤(2)中所述两根SS/Cotton复合纱线的长度比为1:1-4。进一步的，步骤(3)中所述电化学沉积时间为700-1500s。进一步的，步骤(3)中所述高氯酸钠、吡咯与水的质量比为0.5～2.0：0.8～3.0：50。进一步的，步骤(4)中所述纱线形复合电极表面涂覆聚乙烯醇-磷酸溶胶，于室温下干燥后，在复合电极表面形成一层凝胶，凝胶的厚度为100μm～2mm。进一步的，所述聚乙烯醇-磷酸溶胶是由聚乙烯醇溶解在磷酸和水的混合溶液中而得，其中聚乙烯醇、磷酸和水的质量比为2：1：20；所述磷酸浓度为85wt％；具体制备过程为：将聚乙烯醇、磷酸和去离子水混合，在90℃条件下搅拌直到聚乙烯醇完全溶解，即得到聚乙烯醇-磷酸溶胶。更进一步的，所述聚乙烯醇分子量为57000-66000g/mol。进一步的，步骤(2)中所述真空干燥为60℃真空干燥6小时，步骤(3)中所述干燥为60℃真空干燥4-6小时。进一步的，步骤(2)中所述氟碳表面活性剂为水性乙氧基类非离子型氟碳表面活性剂。进一步的，步骤(5)的操作如下：步骤(4)制备的两根含聚乙烯醇-磷酸凝胶的SS/Cotton-PEDOT:PSS-PPy纱线形复合电极，短的那一根固定(或，两根长度相同时任取一根固定)，另一根以螺旋角0～60°在第一个上面缠绕，形成线形超级电容器。通过上述方法制备的纱线形复合电极SS/Cotton-PEDOT:PSS-PPy的电阻率≤70.4Ω/cm。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：1、采用环锭纺纱法得到的不同质量比例的金属丝/棉线复合纱线，降低了所用纱线成本，得到了不同电阻率的复合纱线，操作的可控性更大。2、第一层聚合物PEDOT:PSS采用浸渍-干燥的方法，可将高导电率的赝电容电极材料直接负载在复合纱线上，有效增大了金属丝/棉线的导电率。3、第二层聚合物PPy采用电化学沉积的方法，将聚吡咯直接沉积在金属丝/棉线/PEDOT:PSS上，与传统的电极制备方法相比，这种直接生长在处理后的导电基底上的结构无需添加粘结剂，可以有效减少传输电阻，有利于电解液中的离子与活性材料的接触，有效缓解了充放电过程中倍率性差的问题，对提高超级电容器的性能有很大帮助。综上所述，本专利技术利用价格低廉的棉线作为活性材料的负载基底，同时为了提高棉线导电性，本专利技术利用环锭纺纱的方法将不同质量比例的金属丝，主要是钢丝与棉线进行混纺，得到了钢丝/棉线复合纱线，再通过浸泡-干燥法及电沉积方法在其上负载不同质量的聚合物。本专利技术制备出的基于不同质量比例的钢丝/棉线/聚合物复合纱线的线状超级电容器，为相关电子器件及其复合器件的设计提供了新的思路。附图说明图1(a)为实施例6制备的SS/cotton复合纱线的横截面图，可看出钢丝与棉线较均匀的分散在复合纱线中；图1(b)是实施例6制备的SS/cotton复合纱线的光学显微镜图，可进一步看出钢丝与棉线在径向上分布也是较均匀的。图2(a)为实施例6制备的SS/Cotton-PEDOT:PSS的电子显微镜图，可看出在SS/Cotton复合纱线的表面均匀覆盖了一层PEDOT:PSS聚合物膜；图2(b)是实施例6制备的SS/Cotton-PEDOT:PSS-PPy的电子显微镜图，由图可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于金属丝/棉线/聚合物复合纱线的柔性超级电容器的制备方法，其特征在于，所述制备方法依次包括以下步骤：（1）利用环锭纺纱法制备金属丝/棉线复合纱线SS/Cotton；所述金属丝与棉线的质量比为（0.15‑0.5）:1，所述金属丝为钢丝、铂丝、银丝、铜丝、钯丝、镍丝、金丝中的一种或者其中两种以上的合金丝，所述金属丝的直径为6~10微米；棉线为全棉线，直径为8~15微米；（2）分别将两根SS/Cotton复合纱线放入二甲亚砜、氟碳表面活性剂、PEDOT:PSS及水的混合溶液中浸渍1‑5分钟取出，用去离子水冲洗干净，真空干燥除去水分，获得含PEDOT:PSS的复合纱线SS/Cotton‑PEDOT:PSS；（3）分别以步骤（2）中的两根SS/Cotton‑PEDOT:PSS复合纱线作为工作电极，以Ag/AgCl电极和铂片分别作为参比电极和对电极，电压为0.5~1V条件下，在电解液中进行电化学沉积10~1500s，然后取出纱线，用去离子水洗涤后，于真空下干燥，即得到纱线形复合电极SS/Cotton‑PEDOT:PSS‑PPy，其中，所述电解液为高氯酸钠、吡咯及水的混合溶液；（4）分别在干燥后的两根SS/Cotton‑PEDOT:PSS‑PPy纱线形复合电极表面涂覆聚乙烯醇‑磷酸溶胶，然后于室温下干燥；（5）将步骤（4）制备的两根含聚乙烯醇‑磷酸凝胶的SS/Cotton‑PEDOT:PSS‑PPy纱线形复合电极缠绕在一起形成超级电容器。...

【技术特征摘要】
1.一种基于金属丝/棉线/聚合物复合纱线的柔性超级电容器的制备方法，其特征在于，所述制备方法依次包括以下步骤：（1）利用环锭纺纱法制备金属丝/棉线复合纱线SS/Cotton；所述金属丝与棉线的质量比为（0.15-0.5）:1，所述金属丝为钢丝、铂丝、银丝、铜丝、钯丝、镍丝、金丝中的一种或者其中两种以上的合金丝，所述金属丝的直径为6~10微米；棉线为全棉线，直径为8~15微米；（2）分别将两根SS/Cotton复合纱线放入二甲亚砜、氟碳表面活性剂、PEDOT:PSS及水的混合溶液中浸渍1-5分钟取出，用去离子水冲洗干净，真空干燥除去水分，获得含PEDOT:PSS的复合纱线SS/Cotton-PEDOT:PSS；（3）分别以步骤（2）中的两根SS/Cotton-PEDOT:PSS复合纱线作为工作电极，以Ag/AgCl电极和铂片分别作为参比电极和对电极，电压为0.5~1V条件下，在电解液中进行电化学沉积10~1500s，然后取出纱线，用去离子水洗涤后，于真空下干燥，即得到纱线形复合电极SS/Cotton-PEDOT:PSS-PPy，其中，所述电解液为高氯酸钠、吡咯及水的混合溶液；（4）分别在干燥后的两根SS/Cotton-PEDOT:PSS-PPy纱线形复合电极表面涂覆聚乙烯醇-磷酸溶胶，然后于室温下干燥；（5）将步骤（4）制备的两根含聚乙烯醇-磷酸凝胶的SS/Cotton-PEDOT:PSS-PPy纱线形复合电极缠绕在一起形成超级...

【专利技术属性】
技术研发人员：王秋凡，马芸，张道洪，苗孟河，李婷，张俊珩，程娟，张爱清，
申请(专利权)人：中南民族大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42