基于纳米纤维成纱技术构建柔性可穿戴超级电容器

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随着可穿戴电子产品的快速发展,开发具有轻质、柔性、低价且高效储能的装置引起了越来越多的关注。在锂电池、太阳能电池、超级电容器等储能器件中,超级电容器因具有快速充放电、超高的功率密度、较长的循环寿命和高比电容量等性能优点而引起了科学家的广泛研究,已成为一种很有潜力的能量源。本文基于静电纺纳米纤维技术构建具有高性能的纤维型柔性超级电容器。本文的主要研究内容如下:(1)将醋酸钴和聚丙烯腈按一定质量比配制纺丝溶液,采用静电纺纱技术以碳纤维为芯纱,在碳纤维表面均匀包覆一层PAN/Co(CH3COO)2纳米纤维,构建纳米纤维包芯纱复合材料,再将纳米纤维包芯纱复合材料浸泡在二甲基咪唑的乙醇溶液中,得到纳米纤维基ZIF-67金属有机框架。利用ZIF-67和纳米纤维比表面积大的协同效应,为后续聚吡咯(PPy)在纳米纤维包芯纱表面有序原位聚合提供更大的空间,得到纤维状PPy/ZIF-67/PAN电极材料,以PVA/H2SO4凝胶电解质为媒介,将两根电极材料组装成为PZP/NCY型超级电容器。在5 mV s-1的扫描速率下,可展示出高达17.84 mF cm-2的面积比电容值。(2)通过化学法在棉纤维表面镀镍构建出导电棉纱,进一步采用四针头静电纺包芯纱技术在导电棉纱表面共喷聚丙烯腈/氧化石墨烯(GO-doped PAN)溶液和氧化石墨烯溶液,构建出纳米纤维包芯棉纱复合材料,再利用原位聚合法在纳米纤维包芯纱表面聚合一层导电聚吡咯制得纤维状PPy/GO-doped PAN/GO电极材料,将两根电极材料分别涂覆凝胶电解质,进一步经扭转抱合组装成为PGPG/NCY型纤维状超级电容器,该纤维状超级电容器在5 mV s-1时,按面积计算比电容值可达到17.12 mF cm-2。在电流密度0.2 mA cm-2下,面积能量密度为3.98μWh cm-2,并且功率密度为0.146 mW cm-2。经过1000 th循环后,比电容值仅损失9.8%,循环性能稳定性。进一步采用小样织机将制得的PGPG/NCY型纤维状超级电容器编织于普通织物内,发现其电容值基本保持不变。由此表明采用静电纺包芯纱技术可以制备出电化学性能优异、耐久性和柔韧性良好的超级电容器,其可作为储能装置用于智能可穿戴器件中,具有较高的应用前景。
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