[发明专利]一种石墨烯/二氧化锰基非对称同轴纤维超级电容器及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种石墨烯/二氧化锰基非对称同轴纤维超级电容器及其制备和应用。该电容器为三层结构，位于中心的内电极为石墨烯/二氧化锰杂化纤维，包裹在最外层的为纯石墨烯，两层间用磷酸/聚乙烯醇作为电解质隔开。制备方法包括：氧化石墨分散液制备，二氧化锰纳米棒制备，氧化石墨/二氧化锰杂化纤维制备，石墨烯/二氧化锰基非对称同轴纤维超级电容器制备。该超级电容器具有较高的体积能量密度和具有较好的柔性。制备过程简单，成本低，有望应用于柔性储能和可穿戴设备等领域。

技术领域

本发明属于超级电容器及其制备和应用领域，特别涉及一种石墨烯/二氧化锰基非对称同轴纤维超级电容器及其制备和应用。

背景技术

随着电子产品的发展，特别是谷歌眼镜、柔性显示屏、可弯曲手机以及智能服装等柔性可穿戴电子产品的出现，可穿戴设备作为智能终端产业下一个热点已经得到广泛的认同。然而这些柔性智能器件最大的不足是续航能力弱，也就是能量存储量不足。超级电容器作为一种新型储能器件备受关注，其具有简单的“三明治”结构、较高的能量密度以及可靠的循环稳定性和安全性等突出特点，非常适用于柔性电子产品的储能体系。

自从2004年石墨烯首次通过机械剥离的方法制备得到即掀起了巨大的研究热潮，其非常高的比表面积、电子电导率、理论比电容、机械强度也使其成为制备柔性超级电容器的理想电极材料。然而，通常地石墨烯大都是粉体，无法构成自支撑的器件，将其构筑成宏观的组装体是实现其高性能应用的有效途径，其中石墨烯纤维因其高性能、柔性、可编织性更有希望应用于柔性电子设备，并利用高性能的石墨烯纤维作为电极可组装纤维状超级电容器。目前，纤维状超级电容器仍然存在性能无法满足使用需求等问题，并且结构大都为两根纤维缠绕或平行排列，在弯曲使用的过程中，容易造成短路或分离，极大程度影响器件的性能。Cheng等人[The Journal of Physical Chemistry C,2016,120(18):9685-9691]为了提高纤维超电的性能，以MnO₂为电极活性物质，提高了器件的电压视窗，构筑了高体积能量密度的缠绕结构的非对称纤维超电，其性能可达11.3mW·h·cm^-3。Peng等人[AdvancedMaterials,2013,25(44):6436-6441]突破性地首次提出同轴结构的超级电容器，理论上同轴结构的纤维超电的体积利用率比缠绕结构提高了近乎100％。Zhao等人[Nanoscale,2015,7(21):9399-9404]利用了此原理制备了一种全新的全石墨烯同轴纤维状超级电容器，面积比电容可达205mF·cm^-2，质量比电容为182F·g^-1，能量密度高达15.5W·h·kg^-1。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨烯/二氧化锰基非对称同轴纤维超级电容器及其制备和应用，以克服现有技术中纤维状超级电容器存在性能无法满足使用需求，并且在弯曲使用的过程中容易造成短路或分离的缺陷。

本发明的一种石墨烯/二氧化锰基非对称同轴纤维超级电容器，所述电容器为三层结构，位于中心的内电极为石墨烯/二氧化锰杂化纤维，包裹在最外层的为纯石墨烯，两层间用磷酸/聚乙烯醇作为电解质隔开，防止内外电极接触发生短路。

本发明的一种石墨烯/二氧化锰基非对称同轴纤维超级电容器的制备方法，包括：

(1)将氧化石墨溶于溶剂中，超声分散，得到浓度为10～25mg/mL的氧化石墨分散液；

(2)将氯化锰超声分散在溶剂中，加入高锰酸钾和去离子水反应，得到二氧化锰纳米棒，加入到步骤(1)中氧化石墨分散液中，搅拌，得到纺丝液，其中氯化锰与溶剂的比例为0.1～0.3g:20～50mL，氯化锰、高锰酸钾与去离子水的质量比为0.1～0.3:0.07～0.2:2～5，二氧化锰纳米棒与氧化石墨的质量比为1:10～1:20；