【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于超级电容器领域，具体涉及一种基于碳纳米纤维的柔性微型复合电极及其制备方法。
技术介绍
1、超级电容器是一种新兴的电化学能量储存器件，具有能量密度较高、充放电速度快、安全稳定的优点。柔性纤维状超级电容器是一类特殊结构的超级电容器，可以应用于可穿戴电子设备、智能纺织品、柔性电子器件等领域，为柔性电子设备提供高效、轻便的能量储存解决方案，近年来获得了广泛的关注与研究。设计与构筑具有优良机械柔性、高导电性、高比容量和良好循环稳定性的柔性纤维状电极是获得高性能柔性纤维状超级电容器的技术关键。研究者们采用了一系列的制备方法，包括电纺、溶胶浸渍、喷射打印等方式制备纤维状电极。其中，在柔性的导电纤维上均匀地负载活性材料是构筑柔性纤维状电极的一种常见方式。碳纳米纤维由于具有良好的导电性，同时具有优异的机械柔性和韧性，是一种优秀的纤维状基底材料。如何通过简单的方法在碳纳米纤维基底上实现活性材料的可控沉积，并获得丰富电活性位点和较高的电子扩散效率，有效提高电极单位长度的能量密度以及循环稳定性，仍然目前该领域中的一个技术难点。
技术实现思路
1、针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于碳纳米纤维的柔性微型复合电极及其制备方法。本专利技术所制备的柔性微型复合电极具有良好的机械柔性和电化学性能。
2、为实现上述专利技术目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的。
3、一种基于碳纳米纤维的柔性微型复合电极，其特征在于，所述电极采用多层同轴结构；所述多层同轴结构以碳纳米纤
4、上述基于碳纳米纤维的柔性微型复合电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5、步骤(1)、活化碳纳米纤维：为清洁碳纳米纤维表面，同时增加其亲水性，将碳纳米纤维分别用丙酮、无水乙醇、去离子水依次超声清洗10～30min，而后放入配置好的活化溶液中浸泡12～24h；取出后用乙醇和去离子水清洗数次，真空干燥即可获得活化的碳纳米纤维；
6、步骤(2)、采用电沉积法在碳纳米管纤维上沉积硫化钴镍纳米片，制备硫化钴镍@碳纳米纤维(nico2s4@cnf)复合电极：分别称取一定量的六水合硝酸镍、六水合硝酸钴及硫脲加入去离子水中，磁力搅拌0.5～1h形成透明西瓜红溶液，之后加入一定量的聚乙烯吡咯烷酮于混合溶液中，继续搅拌0.5～2h后将混合溶液作为电解液在三电极系统中进行电沉积；三电极系统以步骤(1)中得到的活化的碳纳米纤维作为工作电极，氯化银/银作为参比电极，铂片电极作为对电极；沉积完毕后即可得到nico2s4@cnf复合电极；
7、步骤(3)、采用原位聚合法在硫化钴镍@碳纳米纤维复合电极上合成聚苯胺，制备聚苯胺@硫化钴镍@碳纳米纤维(pani@nico2s4@cnf)复合电极：将一定量的苯胺单体加入一定体积的盐酸水溶液中，在0～5℃下混合搅拌1～2h，得到苯胺盐酸混合溶液；之后将一定量的过硫酸铵(aps)粉末溶解在一定体积的去离子水中，搅拌至完全溶解，得到过硫酸铵水溶液；然后将步骤(2)中得到的nico2s4@cnf复合电极放入苯胺盐酸混合溶液中，并在保持0～5℃条件下将过硫酸铵水溶液逐滴加入苯胺盐酸混合溶液中，反应12～24h；而后取出电极，用无水乙醇和去离子水进行清洗并真空干燥，即可获得pani@nico2s4@cnf复合电极。
8、进一步的，步骤(1)中所述活化溶液由浓硫酸和浓硝酸组成，其中浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1。
9、进一步的，步骤(2)中所述六水合硝酸镍，六水合硝酸钴及硫脲的摩尔浓度比例为1:2:4。
10、进一步的，步骤(2)中所述聚乙烯吡咯烷酮在混合溶液中的添加量为1～4mg/ml。
11、进一步的，步骤(2)中所述电沉积采用恒电位法，沉积电压为-1v，沉积时间为100～300s。
12、进一步的，步骤(3)中所述苯胺单体与盐酸水溶液的体积比为1:(20～50)；所述盐酸水溶液的摩尔浓度为1m；所述过硫酸铵水溶液的摩尔浓度为0.02m；所述盐酸水溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为1:2。
13、本专利技术与现有制备柔性微型纤维电极的方法相比，其突出的特点和有益的效果在于：
14、1.本专利技术使用兼具导电性和柔性的碳纳米纤维作为柔性基底，碳纳米纤维具有优异的柔性和韧性，可满足柔性可穿戴设备在各种场景下的应用需求；同时使用酸溶液对其进行活化，增强其亲水性，有利于后续活性材料的沉积，增强活性材料与碳纤维界面的粘附性，提升电极的循环稳定性。
15、2本专利技术在碳纳米纤维上依次负载nico2s4纳米片和pani作为活性材料，其中nico2s4具有超高的比容量，pani具有较强的导电性，不仅可以提供高的比容量，还可以增强nico2s4表面电子导电率，提高电化学动力学，两者复合具有协同增强效应，可进一步提高电极的比容量。
16、3.本专利技术使用聚乙烯吡咯烷酮作为电沉积液改性剂，可加速电沉积过程，改善电导率，同时聚乙烯吡咯烷酮的加入会影响nico2s4纳米片的形态，提升nico2s4纳米片的稳定性，进而增强柔性纤维复合电极的稳定性。
17、4.本专利技术通过改变电沉积nico2s4的时长和nico2s4@cnf纤维在苯胺盐酸溶液中的反应时长来分别控制在碳纳米纤维上负载nico2s4与pani的质量，可以实现对柔性微型复合纤维电极的电化学性能的调控。
18、5.本专利技术制备的柔性纤维电极直径在微米范围，可以应用与微型储能器件领域；且纤维电极的长度仅取决于碳纳米纤维的长度，因此可以制备出数米甚至数百米的超长纤维电极。
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1.一种基于碳纳米纤维的柔性微型复合电极，其特征在于，所述电极采用多层同轴结构；所述多层同轴结构以碳纳米纤维(CNF)为芯层、以硫化钴镍(NiCo2S4)为中间层、以聚苯胺(PANI)为最外层；所述碳纳米纤维的直径为10～100μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米纤维的柔性微型复合电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种基于碳纳米纤维的柔性微型复合电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述活化溶液由浓硫酸和浓硝酸组成，其中浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1。
4.根据权利要求2所述的一种基于碳纳米纤维的柔性微型复合电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述六水合硝酸镍，六水合硝酸钴及硫脲的摩尔浓度比例为1:2:4。
5.根据权利要求2所述的一种基于碳纳米纤维的柔性微型复合电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述聚乙烯吡咯烷酮在混合溶液中的添加量为1～4mg/ml。
6.根据权利要求2所述的一种基于碳纳米纤维的柔性微型复合电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述电沉积
7.根据权利要求2所述的一种基于碳纳米纤维的柔性微型复合电极的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述苯胺单体与盐酸水溶液的体积比为1:(20～50)；所述盐酸水溶液的摩尔浓度为1M；所述过硫酸铵水溶液的摩尔浓度为0.02M；所述盐酸水溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为1:2。
...【技术特征摘要】
1.一种基于碳纳米纤维的柔性微型复合电极，其特征在于，所述电极采用多层同轴结构；所述多层同轴结构以碳纳米纤维(cnf)为芯层、以硫化钴镍(nico2s4)为中间层、以聚苯胺(pani)为最外层；所述碳纳米纤维的直径为10～100μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米纤维的柔性微型复合电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种基于碳纳米纤维的柔性微型复合电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述活化溶液由浓硫酸和浓硝酸组成，其中浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1。
4.根据权利要求2所述的一种基于碳纳米纤维的柔性微型复合电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述六水合硝酸镍，六水合硝酸钴及硫...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯婷婷，朱婉秋，吴孟强，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：
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