一种碳纳米管纱线超级电容器的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电容器的制备技术领域，具体涉及一种碳纳米管纱线超级电容器的制 备方法。
【背景技术】
[0002] 超级电容器是一种通过极化电解质来储能的绿色环保电源，是国家"十二五"和湖 北省"十二五"规划中新能源新材料发展的重点支持领域和研究内容。在我省研究开发并 成功推广使用超级电容器，能够减少石油消耗、减轻对石油进口的依赖，有效解决城市尾气 污染和铅酸电池污染问题。石油资源日趋短缺及燃烧石油的内燃机尾气排放对环境的污染 越来越严重，研究替代内燃机的新型能源装置，如混合动力、燃料电池、化学电池产品方兴 未艾。但它们固有的使用寿命短、温度特性差、化学电池污染环境、造价高昂等致命弱点，一 直无较好的解决办法。而超级电容器具有以下优异特性：充电速度快，充电几分钟可达到其 额定容量的95%以上；循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可高达50万次；能量转 换效率高，大电流能量循环效率大于90%;功率密度可达5000W/KG，相当于电池的10倍；而 且没有污染。超级电容器的发明将显著缩短传统电池的充电时间、提高循环效率，可以部分 或全部替代传统的化学电池用于车辆的牵引电源和启动能源，对能源的高效利用和我省新 能源混合动力电车、燃料电池等领域的发展具有重要意义。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中存在的不足，本发明拟采用金属导线来做聚流体收集电荷有利于 降低电容的衰减，可望获得可纺织的纱线超级电容器。将金属丝与碳纳米管纱线直接缠绕 构成M/CNT双股纱线或金属丝为芯表面为碳纳米管纱线的包芯纱结构M-CNT纱线，然后在 M/CNT或M-CNT纱线表面原位合成导电聚苯胺，金属丝作为导体可以起到聚流体的作用，也 可有效提高聚苯胺与碳纳米管纱线的界面相互作用，在碳纳米管之间形成聚苯胺的导电通 道，有效提高电荷的收集和电容，从而获得至今报道最高的电容。本发明可望获得具有应用 前景的柔性电容器，对推动新能源新材料及其相关产业的发展具有重要意义。
[0004] 因此，本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种碳纳 米管纱线超级电容器的制备方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：
[0006] -种碳纳米管纱线超级电容器的制备方法，其步骤如下：
[0007] (1)将金属丝与碳纳米管纱线相互缠绕构成M/CNT双股纱线或以金属丝为芯表面 包覆碳纳米管纱线形成包芯纱结构的M-CNT纱线；
[0008] 所述金属丝为铂丝、银丝、铜丝、钯丝、镍丝、金丝中的一种或者其中两种以上的合 金丝，所述金属丝的直径为12~100微米；
[0009] 所述碳纳米管纱线的直径为15~30微米；
[0010] (2)将M/CNT双股纱线或包芯纱结构的M-CNT纱线放入苯胺、过硫酸铵、高氯酸、去 离子水和乙醇的混合溶液中，在-20~5°C反应12-48小时，形成表面原位生长了聚苯胺的 M/CNT/PANI或M-CNT-PANI复合纱线，然后取出复合纱线用去离子水冲洗干净，真空干燥除 去水分；
[0011] 所述苯胺、过硫酸铵、高氯酸、去离子水和乙醇的质量比为I :1. 5~2. 5 :80~ 150 :50 ~150 :20 ~40。
[0012] (3)将干燥后的M/CNT/PANI或M-CNT-PANI复合纱线浸入聚乙烯醇-磷酸溶胶中， 然后缓慢抽出；
[0013] 所述聚乙烯醇-磷酸溶胶是由聚乙烯醇溶解在磷酸和水的混合溶液中而得，其中 聚乙烯醇、磷酸和水的质量比为1 :1 :1〇 ;
[0014] 具体制备过程为：将聚乙烯醇和水混合，在室温条件下搅拌直到聚乙烯醇完全溶 解，然后加入磷酸，即得到聚乙烯醇-磷酸溶胶；
[0015] 所述磷酸浓度为85wt% ;所述聚乙烯醇分子量为57000-66000g/mol ;
[0016] (4)将两根步骤（3)制备的涂上了聚乙烯醇-磷酸溶胶的M/CNT/PANI或 M-CNT-PANI复合纱线缠绕在一起形成超级电容器。
[0017] 与现有技术相比，本发明具有如下优点和显著的有益效果：
[0018] (1)本发明所提供的超级电容器与传统超级电容器相比，具有线性结构、较小的直 径和较长的长度的优点，因此具有优异的可纺性能，可望应用于可纺织柔性穿戴产品领域。
[0019] (2)本发明所提供的超级电容器有效地结合了金属丝作为聚流体、导电聚苯胺的 原位合成等工艺技术，实现了超级电容器的高电化学性能。
[0020] (3)本发明所提供的超级电容器具有质量轻、电容高、充放电速度快、能量密度高， 携带方便等优点。
[0021] (4)本发明所提供的超级电容器具有原料成本低、工艺简单、容易工业化等优点。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明，但这些实施例不以任何方式限 制本发明的保护范围。
[0023] 以下实施例中，各金属丝、聚乙烯醇、磷酸、高氯酸等材料均为普通市售产品。
[0024] 其中，聚乙稀醇分子量为57000-66000g/mol，购买于Alfa Aesar公司；磷酸浓度 为85wt% ;高氯酸浓度为7〇-72wt% ;
[0025] 碳纳米管纱线通过参考文献（Carbon, 2010, 48, 1105 和 Carbon，2012, 50 :4973)来 制备。
[0026] 各实施例制备的超级电容器的电化学性能测定采用的是荷兰Ivium Technologies BV 公司的 CompactState. 10800 电化学工作站。
[0027] 实施例1
[0028] -种碳纳米管纱线超级电容器，其制备方法如下：
[0029] 将直径为15微米的铂丝与直径为20微米的碳纳米管纱线相互缠绕构成双股纱线 (记为Pt/CNT-1520);将0. 2g苯胺、0. 3g过硫酸铵、16g高氯酸、16g去离子水和4g无水乙 醇混合均匀后，将一根长度约为15厘米的Pt/CNT-1520双股纱线粘在一个支架上放入上述 混合溶液中，在-20°C左右搅拌反应48小时，在Pt/CNT-1520双股纱线表面原位生长聚苯 胺，获得复合纱线（记为Pt/CNT/PANI-1520A)，然后用镊子小心取出复合纱线，用去离子水 将表面冲洗干净，真空干燥除去水分；将两根干燥后的Pt/CNT/PANI-1520A复合纱线浸入 聚乙烯醇-磷酸溶胶中1分钟，缓慢抽出，复合纱线表面形成一层厚5微米左右的膜，然后 将两根复合纱线缠绕在一起形成双股复合纱线，即为超级电容器，其电化学性能如表1所 不。
[0030] 所述聚乙烯醇-磷酸溶胶的制备方法为：将IOg聚乙烯醇和100g去离子水混合， 在室温条件下搅拌直到聚乙烯醇完全溶解，然后加入IOg磷酸，即得到聚乙烯醇-磷酸溶 胶。
[0031] 实施例2
[0032] -种碳纳米管纱线超级电容器，其制备方法如下：
[0033] 将直径为12微米的金丝与直径为15微米的碳纳米管纱线相互缠绕构成双股纱线 (记为Au/CNT-1215);将0. 2g苯胺、0. 5g过硫酸铵、24g高氯酸、IOg去离子水和6g无水乙 醇混合均匀后，将一根长度约为15厘米的Au/CNT-1215双股纱线粘在一个支架上放入上述 混合溶液中，在-15°C左右搅拌反应40小时，在Au/CNT-1215双股纱线表面原位生长聚苯 胺，获得复合纱线（记为Au/CNT/PANI-1215A)，然后用镊子小心取出复合纱线，用去离子水 将表面冲洗干净，真空干燥除去水分；将两根干燥后的Au/CNT/PANI-1215A复合纱线浸入 聚乙烯醇-磷酸溶胶中1分钟，缓慢抽出，复合纱线表面形成一层厚5微米左右的膜，然后 将两根复合纱线缠绕在一起形成双股复合纱线，即为超级电容器，其电化学性能如表1所 不。
[0034] 所述聚乙烯醇-磷酸溶胶的制备方法同实施例1。
[0035] 实施例3
[0036] -种碳纳米管纱线超级电容器，其制备方法如下：
[0037] 将直径为50微米的银丝与直径为20微米的碳纳米管纱线相互缠绕构成双股纱线 (记为Ag/CNT-5020);将0. 2g苯胺、0. 4g过硫酸铵、30g高氯酸、30g去离子水和8g无水乙 醇混合均匀后，将一根长度约为15厘米的Ag/CNT-5020双股纱线粘在一个支架上放入上述 混合溶液中，在-KTC左右搅拌反应36小时，在Ag/CNT-5020双股纱线表面原位生长聚苯 胺，获得复合纱线（记为Ag/CNT/PANI-5020A)，然后用镊子小心取出复合纱线，用去离子水 将表面冲洗干净，真空干燥除去水分；将两根干燥后的Ag/CNT/PANI-5020A复合纱线浸入 聚乙烯醇-磷酸溶胶中1分钟，缓慢抽出，复合纱线表面形成一层厚5微米左右的膜