[发明专利]多孔碳纤维/金属氧化物复合材料及石墨烯基导电油墨的制备方法和在超级电容器中的应用

说明书

本发明提供了一种多孔碳纤维/金属氧化物复合材料及石墨烯基导电油墨的制备方法和在超级电容器中的应用，复合材料的制备方法包括以下步骤：(1)将脱脂棉在900～1200℃进行高温碳化处理，冷却后研磨得多孔碳纤维；(2)将多孔碳纤维置于金属盐水溶液中，恒温搅拌，离心、干燥，得多孔碳纤维/金属盐复合材料；(3)将复合材料在保护气氛下焙烧，再冷却、研磨。本发明可制备复合均匀、金属氧化物载量大、结合力强、电化学储能性能优异的多孔碳纤维/金属氧化物复合材料；为实现复合电极材料的油墨化，添加少量的石墨烯作为碳纤维之间的导电通道，利用丝网印刷方法制备基于石墨烯包裹三维多孔碳纤维/金属氧化物复合材料的水系柔性超级电容器。

技术领域

本发明属于超级电容器技术领域，尤其涉及一种多孔碳纤维/金属氧化物复合材料及石墨烯基导电油墨的制备方法和在超级电容器中的应用。

背景技术

随着智能可穿戴电子领域的快速发展，增加了对轻薄、柔性和智能化储能设备的需求。柔性超级电容器因具有可快速充放电、容量大、寿命长、柔性和安全等优点，在便携可穿戴电子领域发展前景广阔。近些年发展起来的新型电子印刷制备技术(如：喷墨打印、丝网印刷、3D打印等)具有操作简单、可图案化和对柔性基底的适应性强等优点。其中，尤其以丝网印刷技术可快速、大规模、低成本制备柔性超级电容器，适合大规模生产。

电极材料作为柔性超级电容器的核心部件，直接决定了器件的储能性能。常用的活性电极材料主要有碳材料、金属氧化物、导电聚合物。碳材料具有优异的导电性和稳定的双电层电容，但是其有限的比表面积导致电荷储存能力不高；金属氧化物具有高的理论比电容，是一类重要赝电容电极材料，却面临着材料本征导电性差的问题。

近些年，大量研究人员通过将高导电性的石墨烯与纳米级金属氧化物复合，通过利用二者的优势提升了复合材料的质量比电容、循环稳定性与功率倍率性，制备的柔性超级电容器表现出良好的机械柔性。但是，石墨烯基复合材料也面临着石墨烯的易团聚难分散、提供与金属氧化物复合的有效位点有限，以及高昂成本等一系列问题。而三维生物质多孔碳结构，不但具有高的比表面积和优良的导电性，此外还可以提供更加丰富多样的复合位点(表面、体相)以及相对低廉的制备成本，从而有效弥补了石墨烯的不足。因此，开发金属氧化物复合均匀、载量高、结合力强的“三维生物质多孔碳/金属氧化物”复合材料，对于丝网印刷大规模制备柔性超级电容器具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种多孔碳纤维/金属氧化物复合材料及石墨烯基导电油墨的制备方法和在超级电容器中的应用，本发明将脱脂棉高温碳化制备得到多孔碳纤维，再通过简单的金属盐溶液吸附，结合后续热处理制备多种复合均匀、金属氧化物载量大、结合力强、电化学储能性能优异的多孔碳纤维/金属氧化物复合材料。同时，为实现复合电极材料的油墨化，并添加少量的石墨烯作为碳纤维之间的导电通道，利用丝网印刷方法制备出基于石墨烯包裹三维多孔碳纤维/金属氧化物复合材料的非对称水系柔性超级电容器。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于超级电容器的多孔碳纤维/金属氧化物复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将脱脂棉在保护气氛下升温至900～1200℃进行高温碳化处理，冷却后研磨得到多孔碳纤维；

(2)将所述多孔碳纤维置于金属盐水溶液中，恒温搅拌，然后离心、干燥，得多孔碳纤维/金属盐复合材料；

(3)将所述多孔碳纤维/金属盐复合材料在保护气氛下焙烧，焙烧结束后冷却、研磨，获得多孔碳纤维/金属氧化物复合材料。