[發明專利]一種可拉伸納米纖維、其應用、包含其的可拉伸電容器電極及制備方法

有效

• 申請號: 201910702171.1
• 申請日: 2019-07-31
• 公開（公告）號: CN110379642B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 李曉燕;姚繼明;汪康康;劉小路;孫雅倩;吳剛;程恒毅
• 申請（專利權）人: 河北科技大學
• 主分類號: H01G11/30
• 分類號: H01G11/30;H01G11/36;H01G11/46;H01G11/86;H01G11/56;D01F6/94;D01F1/10
• 代理公司: 石家莊國為知識產權事務所 13120
• 代理人: 李坤

本發明涉及電化學材料技術領域，具體公開一種可拉伸納米纖維、其應用、包含其的可拉伸電容器電極及制備方法，所述可拉伸納米纖維以熱塑性聚氨酯、Fe₃O₄和酸化碳納米管為原料，通過靜電紡絲法制備得到。本發明的可拉伸納米纖維，既有良好的可拉伸性能，并可以根據需要制作成預設的任何形狀，具有一定的獨立支撐性能，其作為電容器電極在封裝成電容器時不需要集流體和支撐材料，實現自支撐結構，柔性和可拉伸性好，同時具有體積小、儲能密度大、放電功率高等特點，制備的可拉伸微型電容器兼具高電容儲能性和可拉伸性，具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及電化學材料技術領域，尤其涉及一種可拉伸納米纖維、其應用、包含其的可拉伸電容器電極及制備方法。

背景技術

近年來，可彎曲和折疊的輕質柔性儲能設備已成為材料領域研究的方向，以適應可穿戴通訊設備、可植入醫療監控等柔性電子器件的高速發展，其中，微型超級電容器是一類新型的高功率電化學儲能器件，由于其功率密度高，結構多變、充放電速度快，循環壽命長和安全性能好等特點，可以將其用于個人穿戴系統、可卷曲顯示器、生物醫藥等領域，具有很大的發展空間。

國內外對于柔性電極襯底研究分別有金屬基、塑料基、紙基和纖維基柔性電極，其中纖維基材具有一定的拉伸性、穿戴舒適性和豐富孔徑結構使其成為可穿戴微型電極載體的代表，靜電紡絲法制備的納米纖維尺寸和形貌可控、制備成本低，且纖維交聯孔隙可縮短離子擴散路徑而提高快速充放電能力，有望成為制備納米多孔導電基底的主要方法，但目前研究的靜電紡納米纖維雖具備一定的柔性，但基本不具備可拉伸性，同時，因引入彈性成纖基底帶來了微電極易脫離及惰性物質增加導致的電極導電性差的問題，大大限制了其在穿戴式電子設備中的應用；其它實現纖維基微型電極可控構筑的方法有光刻法、模板法、激光直寫法、微流體刻蝕法等，其大都操作過程繁瑣，且需要精密昂貴的設備，使其實際應用受阻。

發明內容

針對現有納米纖維電容器電極的柔性差、可拉伸性差、制備方法復雜以及制作成本高等問題，本發明提供一種可拉伸納米纖維、其應用、包含其的可拉伸電容器電極及制備方法。

為達到上述發明目的，本發明實施例采用了如下的技術方案：

以熱塑性聚氨酯、Fe₃O₄和酸化碳納米管為原料，通過靜電紡絲法制備得到。

相對于現有技術，本發明提供的可拉伸納米纖維，在紡絲液前驅體中加入熱塑性聚氨酯，可以增加納米纖維的可拉伸性，且熱塑性聚氨酯、Fe₃O₄和酸化碳納米管的結合得到的納米纖維既有很好的可拉伸性能，并根據需要制作成預設的任何形狀，又有一定的獨立支撐性能，在不添加其它粘合劑和支撐材料的情況下，可維持其特定的形狀，實現自支撐結構。

其中，酸化碳納米管中含有大量的羧基和羥基，可提高紡絲液的混合均勻性。

優選的，所述熱塑性聚氨酯、Fe₃O₄和酸化碳納米管的質量比為18-22:8-12:1-2。

優選的，所述酸化碳納米管的制備方法為：將多壁碳納米管加入到由體積比為2.5-3.5:1的濃硫酸和濃硝酸組成的酸溶液中，40-50℃水浴超聲2-2.5h，過濾、洗滌、干燥，得到酸化碳納米管。

上述方法制備的酸化碳納米管上含有豐富的羧基和羥基，大大提高碳納米管的分散性和使用性能。

本發明可拉伸納米纖維在作為電容器電極中的應用。

由熱塑性聚氨酯、Fe₃O₄和酸化碳納米管結合制備的可拉伸納米纖維作為電容器電極，克服了因引入彈性熱塑性聚氨酯成纖基底帶來的惰性物質增加導致的電極絕緣性差的問題，其作為電容器電極除具有很好的可拉伸性能外，還保持了良好的導電性能。