一种柔性电极纤维及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种柔性电极纤维及其制备方法和应用。本发明专利技术的柔性电极纤维的制备方法包括以下步骤：S1.将电极活性物质、导电剂和粘接剂按质量比(90～97):(1～5):(1～10)加入加工助剂中混合均匀形成膏状物；S2.将S1中的膏状物加入螺杆挤出机中混合均匀后，再通过螺杆挤出机喷射挤出形成自支撑纤维；S3.将S2中的自支撑纤维干燥除去加工助剂，即可获得柔性电极纤维；其中，S1中所述粘接剂的软化温度≤S2中所述螺杆挤出机喷射挤出的温度＜S1中所述粘接剂的分解温度。采用上述柔性电极纤维所制得的柔性电极的张力强度大、弹性形变范围较宽和电阻率小，所制得的柔性固态超级电容器的容量高、内阻低、柔性较高、安全性高。安全性高。安全性高。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性电极纤维及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电容器
，更具体地，涉及一种柔性电极纤维及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，随着高度集成化、轻量便携式、可穿戴式、可植入式等新概念及柔性化、智能化电子产品的不断出现，迫切需要开发与其高度兼容的具有高储能密度、柔性化、功能集成化的微纳储能器件，为其提供能源支持以解决其动力问题。在众多的储能器件中，柔性固态超级电容器由于具有高安全性、高功率和长循环寿命等优点受到广泛关注。
[0003]然而，在制备超级电容器用炭电极的传统工艺中，通常以绝缘的聚合物作为粘结剂，导致所制备的电极导电性差、比容小、倍率性能较差。例如，现有技术中公开了一种全固态纤维状柔性超级电容器及其制备方法，利用沉淀法或水热法在纤维衬底上生长正、负极材料，正、负极材料使用隔膜分开，并将负极材料制成膜状包覆于正极的纤维上封装成纤维状器件，制备出全固态纤维状柔性超级电容器，虽然具有一定的柔性，但是其内阻高、功率密度低，难以满足超级电容器快速充放电要求。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的是克服现有柔性超级电容器的柔性较差、内阻较高、容量较低的缺陷和不足，提供一种柔性电极纤维的制备方法，先将电极活性物质、导电剂和粘接剂加入加工助剂中混合均匀形成膏状物，再将膏状物加入螺杆挤出机中喷射挤出形成自支撑纤维，除去加工助剂后即可获得柔性电极纤维。
[0005]本专利技术的另一目的是提供一种柔性电极纤维。
[0006]本专利技术的又一目的在于提供一种柔性电极纤维在柔性电极和超级电容器中的应用。
[0007]本专利技术的又一目的在于提供一种柔性固态超级电容器。
[0008]本专利技术上述目的通过以下技术方案实现：
[0009]本专利技术保护一种柔性电极纤维的制备方法，包括以下步骤：
[0010]S1.将电极活性物质、导电剂和粘接剂按质量比(90～97):(1～5):(1～10)加入加工助剂中混合均匀形成膏状物；
[0011]S2.将S1中的膏状物加入螺杆挤出机中混合均匀后，再通过螺杆挤出机喷射挤出形成自支撑纤维；
[0012]S3.将S2中的自支撑纤维干燥除去加工助剂，即可获得柔性电极纤维；
[0013]其中，S1中所述粘接剂的软化温度≤S2中所述螺杆挤出机喷射挤出的温度＜S1中所述粘接剂的分解温度。
[0014]本专利技术提供一种柔性电极纤维的制备方法，先将电极活性物质、导电剂和粘接剂加入加工助剂中混合均匀形成膏状物，再将膏状物加入螺杆挤出机中在特定温度下(粘接
剂的软化温度≤螺杆挤出机喷射挤出的温度＜粘接剂的分解温度)混合，在该温度条件下，可以使得粘结剂在搅拌过程中发生纤维化形成丝状物，而电极活性物质和导电剂则均匀分散于丝状物之间，再通过螺杆挤出机喷射挤出即可形成自支撑纤维。
[0015]当螺杆挤出机喷射挤出的温度＜粘结剂的软化温度时，会使得膏状物中粘结剂的纤维化程度很低，进而导致通过喷射挤出所形成的自支撑纤维张力强度差；而当螺杆挤出机喷射挤出的温度≥粘结剂的分解温度时，会使得膏状物中的粘结剂发生分解，无法形成自支撑纤维。此外，由于电极活性物质、导电剂和粘接剂在加入螺杆挤出机前已经是混合均匀的膏状物，因此，在螺杆挤出机中的混合搅拌时间对电极活性物质、导电剂和粘接剂的混合均匀性几乎没有影响。
[0016]在其他条件保持不变的情况下，自支撑纤维的力学性能与膏状物中粘结剂的相对含量密切相关，粘结剂的相对含量越高，所制得的自支撑纤维的张力强度越大；但粘结剂的相对含量过多时，过多的粘结剂则会包覆于电极活性物质的表面，不仅会显著增大电极电阻率，还会阻塞电解质离子进入活性物质孔道内，最终增大柔性固态超级电容器的内阻；而粘结剂的相对含量过少时，则会降低喷射挤出形成的自支撑纤维的力学性能，不仅不利于电极制备过程，还会使得所制备出的电极易产生脱粉现象，进而导致柔性固态超级电容器循环过程中容量衰减较快。
[0017]此外，需要说明的是，上述喷射挤出是指利用螺杆挤出机提供喷射压力，再结合特定孔径的模具，即可喷射形成自支撑纤维。而加工助剂的作用是将电极活性物质、导电剂和粘接剂混合形成膏状物，其添加量可根据实际情况调节，只要能够使得电极活性物质、导电剂和粘接剂混合形成膏状物即可。
[0018]优选地，本专利技术步骤S3中采用超临界CO2干燥去除自支撑纤维中的加工助剂，相较于其他干燥方式，超临界CO2干燥能够更好地去除加工助剂。
[0019]在具体实施方式中，本专利技术步骤S2中所述自支撑纤维的平均直径为1～100μm。
[0020]优选地，本专利技术步骤S2中所述自支撑纤维的平均直径为10～40μm。具体可以为11μm、18μm、25μm、30μm，11μm～30μm，优选为18μm～25μm。
[0021]在具体实施方式中，本专利技术步骤S1中所述加工助剂的添加量为电极活性物质、导电剂和粘接剂总质量的140％～160％。
[0022]在具体实施方式中，本专利技术步骤S2中所述喷射的压力为12～20MPa。
[0023]本专利技术中膏状物在螺杆挤出机的喷射挤出压力与膏状物中粘结剂的类型及其含量有关，在实际生产过程中可以根据实际需求相应调节。
[0024]在具体实施方式中，本专利技术步骤S1中所述加工助剂可以为航空煤油、石油醚、白油、汽油、石脑油、石蜡油、无水乙醇、异丙醇和丙二醇中的一种或几种。
[0025]在具体实施方式中，本专利技术步骤S1中所述粘接剂为聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏氟乙烯、乙烯
‑
四氟乙烯共聚体、四氟乙烯
‑
六氟丙烯共聚体、高密度聚乙烯
‑
聚碳酸酯中的一种或几种。
[0026]在具体实施方式中，本专利技术步骤S1中所述电极活性物质可以为石墨烯、活性炭粉末、活性炭纤维和活性炭球中的一种或几种；导电剂可以为金属粉末、乙炔黑、科琴黑、炉黑、Super P Li、导电石墨、石墨烯、碳纳米纤维和碳纳米管中的一种或几种。
[0027]一种上述柔性电极纤维的制备方法制得的柔性电极纤维，也在本专利技术的保护范围
之内。
[0028]本专利技术还保护一种上述柔性电极纤维在柔性电极和超级电容器中的应用。
[0029]一种包括上述柔性电极纤维的柔性固态超级电容器，也在本专利技术的保护范围之内。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益技术效果是：
[0031]本专利技术提供了一种柔性电极纤维的制备方法，先将电极活性物质、导电剂和粘接剂加入加工助剂中混合均匀形成膏状物，再将膏状物加入螺杆挤出机中喷射挤出形成自支撑纤维，除去加工助剂后即可获得柔性电极纤维。采用柔性电极纤维所制得的柔性电极的张力强度达到1.11～1.94N/cm，形变率达到10.6％～23.0％，电阻率为2.41
×
10
‑6～3.12
×
10
‑6Ω
·
m。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性电极纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.将电极活性物质、导电剂和粘接剂按质量比(90～97):(1～5):(1～10)加入加工助剂中混合均匀形成膏状物；S2.将S1中的膏状物加入螺杆挤出机中混合均匀后，再通过螺杆挤出机喷射挤出形成自支撑纤维；S3.将S2中的自支撑纤维干燥除去加工助剂，即可获得柔性电极纤维；其中，S1中所述粘接剂的软化温度≤S2中所述螺杆挤出机喷射挤出的温度＜S1中所述粘接剂的分解温度。2.如权利要求1所述柔性电极纤维的制备方法，其特征在于，S2中所述自支撑纤维的平均直径为1～100μm。3.如权利要求2所述柔性电极纤维的制备方法，其特征在于，S2中所述自支撑纤维的平均直径为10～40μm。4.如权利要求1所述柔性电极纤维的制备方法，其特征在于，S1中所述加工助剂的添加量为电极活性物质、导电剂和粘接剂总质量的140％～160％。5.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭义敏，郭德超，张啟文，李洪伟，
申请(专利权)人：东莞市东阳光电容器有限公司，
类型：发明
国别省市：