[发明专利]芳纶纳米纤维/石墨烯/导电聚合物柔性复合电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种芳纶纳米纤维/石墨烯/导电聚合物柔性复合电极及其制备方法。所述方法采用共混和真空诱导抽滤法，制备芳纶纳米纤维/氧化石墨烯复合薄膜，然后通过氢碘酸的还原，将氧化石墨烯还原成石墨烯，制备芳纶纳米纤维/石墨烯复合薄膜，最后通过电沉积在石墨烯表面沉积导电聚合物，制得芳纶纳米纤维/石墨烯/导电聚合物柔性复合电极。本发明的柔性复合电极的拉伸强度为83.29MPa；韧度为1.38MJ/m³；在电流密度1mA/cm²下，面积比容为487.67mF/cm²；在电流密度5mA/cm²下，面积比容为390.05mF/cm²；在2mA/cm²的电流密度下循环充放电3000次，电容保持率为86％，具有较高的力学强度、高电化学性能和高循环稳定性。

技术领域

本发明属于柔性超级电容器电极材料制备技术领域，涉及一种芳纶纳米纤维/石墨烯/导电聚合物柔性复合电极及其制备方法。

背景技术

随着便携式电子设备和混合动力电动汽车的商业化发展，对超级电容器的电极材料提出了更高的要求，材料不仅需要有优异电化学性能，还需要有比较高的力学强度。目前大多数的电极材料采用传统的涂覆工艺，即将电化学活性组分与聚合物粘结剂、导电剂、分散溶剂按比例混合均匀，并涂覆在金属集流体上。然而，金属集流体固有的高密度与刚性无法满足新型电子器件对于储能器件提出的柔性、便捷式和可穿戴的要求。而且，电极材料与金属集流体之间的粘附力往往较差，数次弯折即会使电极材料发生开裂，进而从集流体上脱落，降低超级电容器的电化学性能。更重要的是，这一类的电极材料难以在弯曲、折叠、拉伸等实际操作环境中使用。因此具有高力学强度、高电化学性能、高循环稳定性的自支撑柔性电极材料成为当前新能源领域的研究热点。

石墨烯(RGO)作为一种独特的碳纳米材料，具有比表面积高、导电性好等优点，已被广泛地应用于柔性电极材料。文献《Nano lett,2008,8(10):3498-3502》以石墨烯作为电极材料制备超级电容器，其在水系和有机系中的比电容分别为135mF/g和99mF/g。但是石墨烯固有的脆性无法适应实际应用可能出现的弯曲、折叠、扭曲等形变状态，同时无法实现电极的高力学性能与高电化学性能的兼容。

导电聚合物，如聚苯胺(PANI)、聚吡咯等具有独特的电学性能和极高的比电容，同时原料易得、价格低廉、合成条件简单，成为制备柔性超级电容器的热点材料。文献《EnergyEnvironmental science,2012,5(9):4983-4988》将聚苯胺沉积在自支撑的碳纳米管薄膜上，发现负载聚苯胺后碳纳米管薄膜电极的比电容由23.5F/g提高到236F/g。但其仍然具有脆性，无法适应实际应用可能出现的弯曲，折叠，扭曲等形变状态。

聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)是一种高性能对位芳纶纤维，基本重复单元为-[-CO-C₆H₄-CONH-C₆H₄NH-]-。宏观芳纶纤维纱线具有高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀、阻燃性强、抗疲劳、稳定性强等优点。将对位芳纶纤维溶解在二甲基亚砜中，可以得到芳纶纳米纤维《ACS nano,2011,5(9):6945-6954》。

发明内容

本发明的目的在于提供一种芳纶纳米纤维/石墨烯/导电聚合物柔性复合电极及其制备方法。本发明在石墨烯高导电的基础上，以具有高力学强度、高柔性的芳纶纳米纤维作为增强材料，提高石墨烯的力学性能和柔性，再通过电沉积，使导电聚合物在石墨烯表面沉积，制备兼具高力学强度、高电化学性能、高循环稳定性的柔性自支撑电极材料。

实现本发明目的的技术解决方案为：

芳纶纳米纤维/石墨烯/导电聚合物柔性复合电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，采用二甲基亚砜(DMSO)/KOH体系将芳纶纤维溶解制成芳纶纳米纤维溶液；