一种3D多功能柔性材料及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种3D多功能柔性材料及其应用，所述柔性材料包括基底层、基底层外包裹的界面锚定层和与界面锚定层上生长的传导吸附层；所述柔性材料可用于制备柔性全固态超级电容器、柔性热阻加热器和可穿戴自加热柔性储能器件。所述柔性全固态超级电容器的正极和负极均由3D多功能柔性材料制成；所述柔性热阻加热器由3D多功能柔性材料制成；所述可穿戴自加热柔性储能器件包括柔性全固态超级电容器，导线和柔性热阻加热器。本发明专利技术的柔性全固态超级电容器具有高能量密度和出色的循环稳定性；柔性热阻加热器只需要很小的电压就具有很高的饱和温度；可穿戴自加热柔性储能器件可在很低电压下具有很好的饱和温度，可以用于保暖，热疗等。

A 3D multifunctional flexible material and its application

【技术实现步骤摘要】
一种3D多功能柔性材料及其应用
本专利技术涉及新能源材料
，具体涉及一种3D多功能柔性材料及其应用。
技术介绍
人类对化石能源的过渡依赖和消耗造成了严重的环境问题和能源危机，为实现可持续发展的能源的开发和利用，新能源和新型能源装置研究引起广泛关注。超级电容器，为一种能量存储装置，具有非常高的功率密度、长循环寿命、充放电速度快、对环境无污染等被广泛应用于航空航天、通讯设备、备用电源、国防科技以及电动汽车等关乎社会民生的领域。由于肥胖，各类职业病或衰老，容易造成人体关节受伤。而关节受伤通常会导致许多症状，例如疼痛，肿胀和肌肉无力，热疗被广泛用于改善这些症状。热疗是经典的骨科治疗方法之一，通常用于治疗风湿性关节炎，颈椎病和外伤。移动式用电设备以及柔性可穿戴设备的广泛使用则不断要求我们开发更轻便的具有优异循环稳定性的储能设备。所以，目前需要一种可穿戴自加热柔性储能器件既方便穿戴，移动使用，又轻便并能循环稳定储能，来满足人们在热疗和保暖中的需求。纳米材料的广泛研究极大地推动了超级电容器等先进储能技术的蓬勃发展。碳纳米管由于其地球储蓄丰富，较高的导电性和导热性，极大的比表面积以及良好的抗酸碱性，被运用于超级电容器的电极材料的研究。但是，超级电容器电极材料存在导电性能差、局部分散不均匀、与电解液接触面性能不稳定等纳米材料领域常见的问题，影响了超级电容器基本性能。电极材料结构决定了器件的性能，比如柔性、高比容量和高稳定性等。设计合成电极需要考虑活性组分、负载方式和比表面积等参数，优化电极结构，实现高性能器件构建。因此对超级电容器进行电极材料的设计、合成与性能研究非常重要。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术的目的是提供一种3D多功能柔性材料及其应用。本专利技术的3D多功能柔性材料一步实现活性组分、锚定负载和大的比表面积的三维柔性电极构建，用于柔性全固态超级电容器或柔性电阻加热器中效果显著。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的第一方面，提供一种3D多功能柔性材料，所述柔性材料包括基底层、基底层外包裹的界面锚定层和界面锚定层上生长的传导吸附层；所述基底层为碳布、石墨纸或金属箔中的一种；所述界面锚定层为碳化钼颗粒；所述传导吸附层为碳纳米管；所述碳纳米管垂直于生长于碳化钼颗粒上；所述碳纳米管的顶端包覆有金属纳米颗粒，所述碳纳米管上还修饰有碳化钼纳米团簇。优选的，所述金属纳米颗粒为镍纳米颗粒、钴纳米颗粒、铁纳米颗粒或铜纳米颗粒中的一种。优选的，所述碳纳米管的直径为20～100nm；金属纳米颗粒的直径为20～60nm；所述碳化钼纳米团簇的直径为2～10nm；所述碳化钼颗粒的直径为10～50nm。本专利技术的第二方面，提供3D多功能柔性材料在如下1)～3)至少一项中的用途：1)制备柔性全固态超级电容器；2)制备柔性热阻加热器；3)制备可穿戴自加热柔性储能器件。本专利技术的第三方面，提供一种柔性全固态超级电容器，所述柔性全固态超级电容器包括正极和负极；所述正极和负极均由3D多功能柔性材料制成。本专利技术的第四方面，提供一种柔性热阻加热器，所述柔性热阻加热器由3D多功能柔性材料制成。本专利技术的第五方面，提供一种可穿戴自加热柔性储能器件，所述可穿戴自加热柔性储能器件包括柔性全固态超级电容器，所述柔性全固态超级电容器的两端分别与第一导线和第二导线连接，所述第一导线和第二导线的另一端与柔性热阻加热器连接。优选的，所述第一导线和第二导线均为包覆铜导线的橡胶带，硅胶带或塑料带中的一种；所述第一导线上设有开关。优选的，所述第一导线和第二导线上均设有导线调整收缩器，所述第二导线与柔性热阻加热器之间通过磁吸式触点连接。本专利技术的第六方面，提供可穿戴自加热柔性储能器件在热疗和保暖中的应用。本专利技术的有益效果：1.本专利技术的3D多功能柔性材料，形貌规整、分布均匀，比表面积高，导电性好。是通过高温碳化，得到碳纳米管，金属镍和碳化钼组成的复合3D电极，制备工艺简单。2.本专利技术的3D多功能柔性材料，不同组分具备不同的功能，且相互之间有很好得协同作用，可以用作超级电容器的正极和负极，具有很好的电化学性能和循环寿命；还可以作为热阻加热器，在很低电压下具有很好的饱和温度，提供人体热量。3.本专利技术的柔性全固态超级电容器具有高能量密度和出色的循环稳定性。4.本专利技术的柔性热阻加热器只需要很小的电压就具有很高的饱和温度，柔性热阻加热器表面的温度均匀。5.本专利技术的可穿戴自加热柔性储能器件可在很低电压下具有很好的饱和温度，可以用于可穿戴保暖，热疗等，为热疗提供热量。附图说明图1：3D多功能柔性材料的结构图,其中,1为碳纤维,2为碳化钼颗粒，3为碳纳米管，4为镍纳米颗粒，5为碳化钼纳米团簇。图2：3D多功能柔性材料的XRD图谱。图3：3D多功能柔性材料的SEM图片，其中图(a)放大至2μm，图(b)放大至300nm。图4：(a)为3D多功能柔性材料截面的SEM图，(b)为图4(a)方框中的放大图，其中，1为碳纤维，2为碳化钼颗粒组成的界面锚定层，3为碳包镍纳米管阵列。图5：可穿戴自加热柔性储能器件的示意图，其中，1为柔性全固态超级电容器，2为柔性热阻加热器，3为第一导线，4为第二导线，5为开关，6为导线调整收缩器。图6：可穿戴自加热柔性储能器件发热时间-温度曲线图。图7：不同直流电压下3D多功能柔性材料的时间温度曲线，以及对应的饱和温度热成像图。图8：不同扫描速度下的循环伏安曲线，其中，(a)为3D多功能柔性材料作为负极在不同扫描速度下的循环伏安曲线；(b)为3D多功能柔性材料作为正极在不同扫描速度下的循环伏安曲线；(c)为3D多功能柔性材料作为正极和负极同时在同一扫描速度下的循环伏安曲线(d)为3D多功能柔性材料制备的柔性全固态超级电容器在不同扫描速度下的循环伏安曲线。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。正如
技术介绍
所述，现有的柔性电极制作的超级电容器存在导电性能差、局部分散不均匀、与电解液接触面性能不稳定等问题，且柔性材料的制备工艺复杂。基于此，本专利技术提供一种3D多功能柔性材料，由基底层、界面锚定层和传导吸附层组成一种类似三明治的3D结构(见图1)，形貌规整、分布均匀，比表面积高，导电性好。本专利技术的3D多功能柔性材料可由以下步骤制备的：(1)将钼酸钠和氯化镍溶于蒸馏水中，得到浅蓝色澄清的钼酸钠-氯化镍混合液；(2)将碳布浸入步骤(1)得到的钼酸钠-氯化镍混合液中并移至密闭容器内，将密闭容器置于160℃下干燥6小时，然后取出碳布并清洗、干燥，制得负载钼酸镍纳米片的碳布(即NiMoO4/CC)；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D多功能柔性材料，其特征在于，所述柔性材料包括基底层、基底层外包裹的界面锚定层和界面锚定层上生长的传导吸附层；/n所述基底层为碳布、石墨纸或金属箔中的一种；/n所述界面锚定层为碳化钼颗粒；/n所述传导吸附层为碳纳米管；/n所述碳纳米管垂直于生长于碳化钼颗粒上；所述碳纳米管的顶端包覆有金属纳米颗粒，所述碳纳米管上还修饰有碳化钼纳米团簇。/n

【技术特征摘要】
1.一种3D多功能柔性材料，其特征在于，所述柔性材料包括基底层、基底层外包裹的界面锚定层和界面锚定层上生长的传导吸附层；
所述基底层为碳布、石墨纸或金属箔中的一种；
所述界面锚定层为碳化钼颗粒；
所述传导吸附层为碳纳米管；
所述碳纳米管垂直于生长于碳化钼颗粒上；所述碳纳米管的顶端包覆有金属纳米颗粒，所述碳纳米管上还修饰有碳化钼纳米团簇。


2.根据权利要求1所述的柔性材料，其特征在于，所述金属纳米颗粒为镍纳米颗粒、钴纳米颗粒、铁纳米颗粒或铜纳米颗粒中的一种。


3.根据权利要求1或2所述的柔性材料，其特征在于，所述碳纳米管的直径为20～100nm；金属纳米颗粒的直径为20～60nm；所述碳化钼纳米团簇的直径为2～10nm；所述碳化钼颗粒的直径为10～50nm。


4.权利要求1～3中任一项所述的3D多功能柔性材料在如下1)～3)至少一项中的用途：
1)制备柔性全固态超级电容器；
2)制备柔性热阻加热器；
3)制备可穿戴自加热柔性储能器件。


5.一种柔性全固态超级电...

【专利技术属性】
技术研发人员：周伟家，柳凡，何杰通，袁召，栾峰，刘宏，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东;37