一种三维碳纳米管胶带柔性集流体的制备方法

1.本发明涉及柔性集流体的制备领域，具体涉及一种三维碳纳米管胶带柔性集流体的制备方法。


背景技术：

2.近年来，柔性和可穿戴电子器件的快速发展促进了对柔性储能器件的开发。柔性超级电容器由于具有快速充放电、较高的容量、长的循环寿命、以及优异的机械形变性能，具有对柔性电子器件在不同形变状态下的高效供能以及提高可穿戴设备的穿戴舒适性的巨大潜力。而目前进一步提升所制备柔性超级电容器的电化学性能和机械柔韧性是促进其在柔性和可穿戴电子器件广泛应用的主要需求和挑战。柔性超级电容器的组成部件通常包括集流体、电活性材料和准固态电解质。其中，集流体对所制备的柔性超级电容器的电化学性能以及柔韧性均具有重要影响。目前用于制备柔性超级电容器的柔性集流体主要包括金属箔、碳布、石墨烯膜等。此外，具有高柔韧性的胶带也被用来作为支撑基底粘贴薄层石墨以作为柔性集流体。然而，目前所使用的这些集流体均为二维平面型集流体，这极大地限制了其与电活性材料的接触面积，特别是当电活性材料在集流体上负载时，二维平面型集流体不能导致这些电活性材料的分散负载，从而严重限制了电活性材料的电化学表面积，因此不利于所制备柔性超级电容器电化学性能的提升。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对现有技术的缺陷或改进需求，提供一种三维碳纳米管胶带柔性集流体的制备方法。
4.为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
5.一种三维碳纳米管胶带柔性集流体的制备方法，包括以下步骤：
6.将碳纳米管材料粘贴在胶带上，并将其置于电解质水溶液中进行恒电流法或恒电压法的分散处理，制得三维碳纳米管胶带柔性集流体。该方法以胶带为柔性支撑基底，将碳纳米管材料粘贴在胶带上以构建二维柔性集流体，接着对碳纳米管材料进行分散处理，使得碳纳米管由二维聚集结构转变为三维分散结构。该方法可制备出高度分散的三维碳纳米管柔性集流体，使得电活性材料能分散负载在集流体上，从而增加与电解液的接触面积，显著提高所构建电极以及器件的电化学性能。
7.进一步，所述碳纳米管为碳纳米管纸、碳纳米管薄膜中的一种；所述胶带为透明胶带、绝缘胶带、美纹纸胶带中的一种。
8.进一步，所述电解质为盐酸、硫酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钾、氯化钠中的一种。
9.进一步，所述电解质水溶液的浓度为0.1～10mol/l。在电解质水溶液中进行恒电流法或恒电压法的分散处理时，碳纳米管表面会由于水的电解鼓起气泡，这些鼓起气泡产生的力会导致聚集的碳纳米管之间分散开，从而使得碳纳米管由二维聚集结构转变为三维分散结构。
10.进一步，所述分散处理的温度为0～35℃；所述恒电流法的电流密度为1～10ma/cm2，处理时间为60～3600s；所述恒电压法的电压为1.5～10v，处理时间为30～1800s。所选用温度是保证分散处理在温和条件下进行，降低对处理设备的要求。所选用电流密度、电压和时间范围是保证碳纳米管分散程度的控制。
11.与现有技术相比本发明具有以下优点：
12.(1)本发明通过分散处理能使得碳纳米管由二维聚集结构转变为三维分散结构，所获得的三维碳纳米管胶带柔性集流体与目前传统使用的二维平面型集流体相比，具有显著增加的表面积。在制备电极过程中，能导致电活性材料的分散负载，显著增加电活性材料与电解液的接触面积，从而显著提高所构建电极以及器件的电化学性能。
13.(2)本发明以廉价的胶带为柔性支撑体以及粘接剂，在维持集流体高柔韧性的同时，能避免碳纳米管由于过度分散造成集流体损坏。
14.(3)本发明所提供的制备方法，设备简单易操作、条件温和、重复性高、成本低、并可大规模制备。
附图说明
15.图1为所制备的三维碳纳米管胶带柔性集流体在分散处理前后图，上图为分散处理前，下图为分散处理后；
16.图2为所制备的三维碳纳米管胶带柔性集流体在分散处理前后的扫描电镜图，左图为分散处理前，右图为分散处理后；
17.图3为实施例5所制备的三维碳纳米管胶带柔性集流体和未经分散处理的二维碳纳米管胶带柔性集流体在0.5mol/l的h2so4中，10mv/s扫速下的循环伏安曲线；
18.图4为实施例6所制备的三维碳纳米管胶带柔性集流体和未经分散处理的二维碳纳米管胶带柔性集流体分别负载聚3,4-乙撑二氧噻吩电活性材料后所制得的电极在1mol/l kcl电解液中，1ma/cm2电流密度下的充放电曲线。
具体实施方式
19.实施例1
20.一种三维碳纳米管胶带柔性集流体的制备方法，包括以下步骤：
21.以粘贴有透明胶带的碳纳米管薄膜作为阳极，铂片作为阴极，分别浸入盛有1mol/l h2so4溶液的电解池中，并且阳极和阴极分别与直流电源的正极和负极相连。接着，通过在阳极和阴极间施加2v的恒定电压对碳纳米管进行分散处理，处理时间为1800s，处理温度为35℃。随后对分散处理后的集流体进行去离子水清洗，室温晾干即制得三维碳纳米管胶带柔性集流体。
22.图1可看出通过分散处理，碳纳米管胶带柔性集流体由二维平面结构转变为三维立体结构。
23.实施例2
24.一种三维碳纳米管胶带柔性集流体的制备方法，包括以下步骤：
25.以粘贴有绝缘胶带的碳纳米管纸作为阳极，铂片作为阴极，分别浸入盛有3mol/l naoh溶液的电解池中，并且阳极和阴极分别与直流电源的正极和负极相连。接着，通过在阳
极和阴极间施加10v的恒定电压对碳纳米管进行分散处理，处理时间为30s，处理温度为5℃随后对分散处理后的集流体进行去离子水清洗，室温晾干即制得三维碳纳米管胶带柔性集流体。
26.图2可看出通过分散处理，集流体中的碳纳米管由二维聚集结构转变为三维分散结构。这种三维分散结构能使得电活性材料分散负载在集流体上，从而增加与电解液的接触面积，显著提高所构建电极以及器件的电化学性能。
27.实施例3
28.一种三维碳纳米管胶带柔性集流体的制备方法，包括以下步骤：
29.以粘贴有透明胶带的碳纳米管纸作为阳极，铂片作为阴极，甘汞电极作为参比电极，分别浸入盛有2mol/lnacl溶液的电解池中，并且阳极和阴极分别与直流电源的正极和负极相连。接着，通过在阳极和阴极间施加电流密度为1ma/cm2的恒定电流对碳纳米管膜进行分散处理，处理时间为3600s，处理温度为30℃。随后对分散处理后的集流体进行去离子水清洗，室温晾干即制得三维碳纳米管胶带柔性集流体。所制备集流体中的碳纳米管展示了三维分散结构。
30.实施例4
31.一种三维碳纳米管胶带柔性集流体的制备方法，包括以下步骤：
32.以粘贴有美纹纸胶带的碳纳米管膜作为阳极，铂片作为阴极，甘汞电极作为参比电极，分别浸入盛有3mol/l hcl溶液的电解池中，并且阳极和阴极分别与直流电源的正极和负极相连。接着，通过在阳极和阴极间施加电流密度为10ma/cm2的恒定电流对碳纳米管膜进行分散处理，处理时间为60s，处理温度为20℃。随后对分散处理后的集流体进行去离子水清洗，室温晾干即制得三维碳纳米管胶带柔性集流体。所制备集流体中的碳纳米管展示了三维分散结构。
33.实施例5
34.一种三维碳纳米管胶带柔性集流体的制备方法，包括以下步骤：
35.以粘贴有透明胶带的碳纳米管纸作为阳极，铂片作为阴极，分别浸入盛有10mol/l h2so4溶液的电解池中，并且阳极和阴极分别与直流电源的正极和负极相连。接着，通过在阳极和阴极间施加8v的恒定电压对碳纳米管进行分散处理，处理时间为30s，处理温度为35℃。随后对分散处理后的集流体进行去离子水清洗，室温晾干即制得三维碳纳米管胶带柔性集流体。
36.图3为所制备的三维碳纳米管胶带柔性集流体在经分散处理前后在0.5mol/l的h2so4中的，10mvs-1
的循环伏安曲线。从图中可以看出碳纳米管胶带柔性集流体在经分散处理后，其曲线面积显著增大，这归因于如图2所示的由于碳纳米管的分散分布导致了集流体比表面积的显著提升。
37.实施例6
38.一种三维碳纳米管胶带柔性集流体的制备方法，包括以下步骤：
39.以粘贴有透明胶带的碳纳米管膜作为阳极，铂片作为阴极，分别浸入盛有2mol/lkcl溶液的电解池中，并且阳极和阴极分别与直流电源的正极和负极相连。接着，通过在阳极和阴极间施加2v的恒定电压对碳纳米管进行分散处理，处理时间为1800s，处理温度为30℃。随后对分散处理后的集流体进行去离子水清洗，室温晾干即制得三维碳纳米管胶带柔
性集流体。
40.以所制备的三维碳纳米管胶带为集流体，通过2ma/cm2的恒电流沉积方式在其表面负载1mg/cm2的聚3,4-乙撑二氧噻吩电活性材料，在1mol/l的kcl电解质中测试其电容性能。如图4所示，此电极在1ma/cm2的测试电流密度下获得了329.6mf/cm2的面积电容。
41.对比例1
42.以未经分散处理的二维碳纳米管胶带为集流体，通过2ma/cm2的恒电流沉积方式在其表面负载1mg/cm2的聚3,4-乙撑二氧噻吩电活性材料，在1mol/l的kcl电解质中测试其电容性能。如图4所示，此电极在1ma/cm2的测试电流密度下仅获得了143.8mf/cm2的面积电容。这表明本发明所制备的三维碳纳米管胶带柔性集流体显著提升了所制备超级电容器电极的电化学性能。