一种复合纤维材料及其制备方法、一种高可拉伸性纤维状超级电容器技术

本发明专利技术提供了一种复合纤维材料，所述复合纤维材料包括聚3，4

【技术实现步骤摘要】
一种复合纤维材料及其制备方法、一种高可拉伸性纤维状超级电容器


[0001]本专利技术属于超级电容器
，涉及一种复合纤维材料及其制备方法、一种超级电容器，尤其涉及一种复合纤维材料及其制备方法、一种高可拉伸性纤维状超级电容器。

技术介绍

[0002]电池和超级电容器(SC，一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次)是两种最具有应用前景的能源储存方式。相对于电池，SC具有很高的功率密度，相对于传统的电容器，SC具有较高的能量密度。另外SC充放电速度快，效率高，循环寿命长，安全并且绿色环保，能够填补传统储能器件的空隙，是一种新型的储能器件。超级电容器主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。作为能源存储方面的一种新型储能器件，SC的功率密度比较高，循寿命长，并且充放电速度比较快，性能介于传统的电介质电容器和电池之间，能够弥补传统储能器件的不足，具有很大的应用潜力。
[0003]为了满足下一代智能可穿戴设备，必须考虑和开发具有拉伸、压缩、弯曲、扭曲甚至变形为任意形状性能的新型储能设备。但是传统的二维平面结构的超级电容器体积大、柔韧性差，不能满足近年来消费电子产品小型化和智能可穿戴服装的快速发展，因此开发可穿戴的、可伸缩的储能单元显得尤为重要。柔性SC需要具有自支撑性、器件轻便、组装精简、生产成本低且安全环保的特点，也正以为此，其在生物医学、能量存储与转换器件、可穿戴设备、医用传感器、便携设备等领域得到了广泛的研究。
[0004]制备可拉伸电极的一般策略是在可拉伸基材上沉积电化学活性材料，电化学活性材料通常是刚性材料，例如碳基材料、金属氧化物及其复合材料，涂覆在具有弹性但非电化学活性的支撑基材上，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜、碳纳米管(CNT)薄膜、CNTs/PDMS薄膜、弹性纤维和织物。由于电活性材料和非活性支撑基材拉伸性的不匹配，在充电
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放电循环或拉伸
‑
释放循环期间，电活性材料薄层可能与基材分层，这会导致器件性能显着下降。另一方面，为了将电活性材料负载到基板上，需要许多复杂的步骤来制造电极。而且组装的超级电容器的拉伸性严重受到基板弹性变形能力的限制。此外，这些基板中大多数具有低电导率或电容，这不利于超级电容器获得高能量密度或功率密度。现有研究中也公开过一些其他的技术方案，如Bo Wang课题组将MOF晶体与导电聚合物聚苯胺(PANI)通过电化学交织来实现高性能柔性超级电容器，这种方法制备出的电极具有非常高的面电容(2146mF cm
‑2)，但电容保持率不高，2000次循环后电容保持率为80％。再如Jikang Yuan课题组也报道过一种基于化学还原方法合成六方MnO2纳米片组成的水性无机墨水，然后将墨水印刷在经过多壁碳纳米管预处理的商用A4纸上制备成柔性超级电容器。这种方法制备出的电极具有极大比电容为1035F g
‑1，并在10000次循环中保持了98.9％的电容保持率，但制作工艺繁
琐，在应用转化上还存在一定的困难。
[0005]因此，如何找到一种更为适宜的超级电容器，更好的满足下一代智能可穿戴设备，能够具有拉伸、压缩、弯曲、扭曲甚至变形为任意形状性能的功能，已成为领域内诸多具有前瞻性的研究人员广为关注的焦点之一。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种复合纤维材料及其制备方法、超级电容器，特别是一种高可拉伸性纤维状超级电容器。本专利技术提供的复合纤维材料结合了刚性导电聚合物PEDOT：PSS与可拉伸聚合物PAAS，能够制备出既有优异的拉伸性又有高比电容的超级电容器，同时制备方法简单，条件温和，可控性强，更加适于规模化推广和应用，具有广阔的应用前景，有望产生巨大的社会价值和经济价值。
[0007]本专利技术提供了一种复合纤维材料，所述复合纤维材料包括聚3，4
‑
乙烯二氧噻吩
‑
聚苯乙烯磺酸盐聚合物和复合在所述聚3，4
‑
乙烯二氧噻吩
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聚苯乙烯磺酸盐聚合物中的聚丙烯酸钠。
[0008]优选的，所述复合纤维材料中，所述聚3，4
‑
乙烯二氧噻吩与聚苯乙烯磺酸盐的总质量与所述聚丙烯酸钠的质量比为1：(0.025～0.05)；
[0009]所述聚3，4
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乙烯二氧噻吩
‑
聚苯乙烯磺酸盐聚合物为共轭聚合物；
[0010]所述共轭聚合物包括刚性导电共轭聚合物。
[0011]优选的，所述复合纤维材料为水凝胶纤维材料；
[0012]所述复合纤维材料的长度为3～30cm；
[0013]所述复合纤维材料的直径为30～300μm；
[0014]所述复合包括物理复合。
[0015]优选的，所述复合纤维材料具有多孔结构；
[0016]所述复合纤维材料的孔径为0.25～2μm；
[0017]所述复合纤维材料为高可拉伸性导电复合纤维材料；
[0018]所述复合纤维材料的断裂伸长率为50％～500％；
[0019]所述复合纤维材料的导电率为1000～3000S m
‑1；
[0020]所述复合纤维材料为耐水复合纤维材料。
[0021]本专利技术提供了一种复合纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
[0022]1)将3,4
‑
乙烯二氧噻吩、聚苯乙烯磺酸和水混合后，加入硫酸铁和过硫酸钠，反应后洗涤，得到聚3，4
‑
乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐复合凝胶；
[0023]2)将上述步骤得到的聚3，4
‑
乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐复合凝胶、聚丙烯酸钠和溶剂加热混合后，得到聚3，4
‑
乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐
‑
聚丙烯酸钠水凝胶；
[0024]3)将上述步骤得到的聚3，4
‑
乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐
‑
聚丙烯酸钠水凝胶通过拉伸纺丝，固化后，得到聚3，4
‑
乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐
‑
聚丙烯酸钠复合纤维材料。
[0025]优选的，所述3，4
‑
乙烯二氧噻吩与所述聚苯乙烯磺酸的质量比为(0.15～0.25)：1；
[0026]所述3,4
‑
乙烯二氧噻吩与所述硫酸铁的摩尔比为(1.0～2.0)：1；
[0027]所述过硫酸钠与所述3,4
‑
乙烯二氧噻吩的摩尔比为(0.8～1.5)：1；
[0028]所述反应的时间为12～24h；
[0029]所述洗涤具体为，洗涤直至上清液为中性。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合纤维材料，其特征在于，所述复合纤维材料包括聚3，4
‑
乙烯二氧噻吩
‑
聚苯乙烯磺酸盐聚合物和复合在所述聚3，4
‑
乙烯二氧噻吩
‑
聚苯乙烯磺酸盐聚合物中的聚丙烯酸钠。2.根据权利要求1所述的复合纤维材料，其特征在于，所述复合纤维材料中，所述聚3，4
‑
乙烯二氧噻吩与聚苯乙烯磺酸盐的总质量与所述聚丙烯酸钠的质量比为1：(0.025～0.05)；所述聚3，4
‑
乙烯二氧噻吩
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聚苯乙烯磺酸盐聚合物为共轭聚合物；所述共轭聚合物包括刚性导电共轭聚合物。3.根据权利要求1所述的复合纤维材料，其特征在于，所述复合纤维材料为水凝胶纤维材料；所述复合纤维材料的长度为3～30cm；所述复合纤维材料的直径为30～300μm；所述复合包括物理复合。4.根据权利要求1所述的复合纤维材料，其特征在于，所述复合纤维材料具有多孔结构；所述复合纤维材料的孔径为0.25～2μm；所述复合纤维材料为高可拉伸性导电复合纤维材料；所述复合纤维材料的断裂伸长率为50％～500％；所述复合纤维材料的导电率为1000～3000Sm
‑1；所述复合纤维材料为耐水复合纤维材料。5.一种复合纤维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将3,4
‑
乙烯二氧噻吩、聚苯乙烯磺酸和水混合后，加入硫酸铁和过硫酸钠，反应后洗涤，得到聚3，4
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乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐复合凝胶；2)将上述步骤得到的聚3，4
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乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐复合凝胶、聚丙烯酸钠和溶剂加热混合后，得到聚3，4
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乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐
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聚丙烯酸钠水凝胶；3)将上述步骤得到的聚3，4
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乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐
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聚丙烯酸钠水凝胶通过拉伸纺丝，固化后，得到聚3，4
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乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐
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聚丙烯酸钠复合纤维材料。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述3，4
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乙烯二氧噻吩与所述聚苯乙烯磺酸的质量比为(0.15～0.25)：1；所述3,4
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乙烯二氧噻吩与所述硫酸铁的摩尔比为(1.0～2.0)：1；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：马明明，刘蝶，晏秀男，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：