[發明專利]一種可變色的纖維狀超級電容器及其制備方法

有效

• 申請號: 201410448642.8
• 申請日: 2014-09-04
• 公開（公告）號: CN104252973B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 彭慧勝;陳旭麗;林惠娟
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01G11/30
• 分類號: H01G11/30;H01G11/36;H01G11/86
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司31200
• 代理人: 陸飛,盛志范

技術領域

本發明屬于可編織儲能器件技術領域，具體涉及一種智能的纖維狀超級電容器及其制備方法與應用。?

背景技術

近年來，智能電子產品逐漸成為電子產品的主流發展方向，各種概念產品相繼提出，例如三星的智能電話、NIKE的智能腕表、Google的智能眼鏡等，代表了該領域的前沿，也將為我們未來的高質量生活帶來極大方便。^[1-8]?同時，我們也需要發展相應的儲能器件，為之供能，例如超級電容器因具有較高的功率密度、比容量和能量密度而在儲能器件中占有重要地位。^[9]?設想如果超級電容器可以在使用過程中隨著能量儲存狀態的變化而表現出某種直觀的變化，那么使用者就可以快速、實時地監測器件的儲能狀態，以便在能量耗盡之前預知并及時充電，從而為器件的安全高效運行提供保障。電致變色材料是一種在一定的電壓或電流作用下可以變色的材料，利用電致變色材料的這一特性有望實現超級電容器的智能化。最近，有個別報道對電致變色材料的變色性能和儲能性能進行了初步研究，但完整的智能超級電容器仍未實現。^[10-13]

另一方面，可穿戴便攜式電子器件成為當今社會電子器件的主流發展方向之一，有望在我們的未來生活中得到普及，因此我們亟需發展相應的儲能系統為之供能。^[6,?14-18]?為解決這一問題，纖維狀超級電容器最近得到廣泛研究用于制備可編織、可穿戴的儲能器件。^[19-26]?與傳統的平面狀超級電容器相比，纖維狀超級電容器具有可以編織成儲能織物或植入衣服等獨特性能。近來，有大量研究致力于發展新材料、優化材料或器件結構來提高纖維狀超級電容器的電化學儲能性能，但到目前為止仍亟需賦予纖維狀智能超級電容器更多的功能，多功能是當今可穿戴便攜式微型電子的發展的主流方向。

發明內容

本發明的目的在于提供一種纖維狀、可隨儲能狀態發生快速、可逆顏色變化的智能超級電容器及其制備方法。?

本發明提供的超級電容器，由超順排的碳納米管（CNT）薄膜纏繞在彈性橡膠纖維上而得到的材料作為可拉伸導電基底，由電化學沉積法將可以發生電致變色的聚苯胺（PANI））沉積在超順排的碳納米管薄膜上而得到的聚苯胺/碳納米管復合材料作為電極，由聚乙烯醇/磷酸復合物（PVA/H₃PO₄）作為凝膠電解質；該超級電容器為纖維狀、可變色，可以編織成織物，用于顯示。如圖1所示。?

本發明提供的纖維狀、可變色超級電容器的制備方法，其具體步驟為：?

（1）將彈性橡膠纖維以100%的拉伸量進行拉伸；

（2）在處于拉伸狀態的彈性橡膠纖維上纏繞超順排的碳納米管薄膜，作為導電基底；該碳納米管薄膜可由可紡碳納米管陣列中拉出，其中用到的可紡碳納米管陣列由化學氣相沉積法制備得到；

（3）撤去拉力使彈性橡膠纖維回復原長，在其兩端用銅線從碳納米管薄膜上引出電極線；

（4）將與兩銅線相同距離的位置的碳納米管薄膜擦掉（即在導電基底的中間一段的碳納米管薄膜擦掉），在擦掉碳納米管薄膜位置的兩邊分別作為兩個電極的基體；

（5）通過電化學沉積法，在兩段碳納米管薄膜（即兩個電極基體）上均恒電位沉積聚苯胺，得到兩段聚苯胺/碳納米管復合材料，作為正負兩個電極；?

（6）在聚苯胺/碳納米管復合材料上和中間擦掉碳納米管薄膜的空隙處均涂布一層聚乙烯醇/磷酸凝膠狀電解質，即得到纖維狀、可變色的超級電容器。

本發明中，所述電沉積聚苯胺的質量通過法拉第定律由電沉積過程中發生的電量轉移計算，在聚苯胺/碳納米管復合材料中，PANI的質量含量為20%~90%，優選PANI的質量含量為40%~80%?；以PANI的質量含量為70%的儲能和變色綜合效果最好。?

本發明中，纏繞在彈性橡膠纖維上的碳納米管薄膜的厚度為20~100?nm，優選厚度為20~60?nm。?

本發明的超級電容器，充放電過程中正負極可以分別發生變色，不同的顏色狀態反應了不同的儲能狀態。例如如圖3所示，正極在1?V、0.5?V和0?V及以下分別顯示藍色、綠色和淡黃色，由于該超級電容器的對稱結構，負極變色反之亦然。?

本發明的超級電容器，通過編織組合成各種圖案，在充放電過程中，每個智能超級電容器的正負兩極隨所處電壓的不同而變色，從而該織物可以作為顯示器件，顯示不同的圖案。?