超高电导率聚合物纤维、线状超级电容器组及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超高电导率聚合物纤维、线状超级电容器组及其制备方法。利用湿纺的方法将导电聚合物制备成柔性的聚合物纤维，并在无机溶液中处理后得到超高电导率聚合物纤维；然后以超高电导率聚合物纤维螺旋缠绕在弹性线上分别作为超级电容器的内外电极和导线，并在内外电极处涂覆凝胶电解液，导线将相邻的两个超级电容器串联。通过采用不同的螺旋缠绕方式来调整内电极和外电极之间的位置关系，可以获得上下两份和同步单层的线状超级电容器组一体化器件。本发明专利技术的制备方法操作简单，产品具有柔韧性能好，可编织能力强，多个超级电容器一体化串并联分别提高电压和电流的优点，无需特殊设备，容易实现规模生产。

Super high conductivity polymer fiber, linear super capacitor group and preparation method thereof

The invention discloses a super high conductivity polymer fiber, a linear super capacitor group and a preparation method thereof. Using the method of wet spinning the conductive polymer prepared by polymer fiber flexible, and in the treatment of inorganic solution obtained after ultra high conductivity polymer fiber; and then to the high conductivity polymer fiber spiral wound in the elastic line as the inner and outer electrodes and wires of the super capacitor, and the inner and outer electrodes coated with gel electrolyte, conductor two super capacitor adjacent series. By means of adjusting the position relationship between the inner electrode and the outer electrode by adopting different spiral winding modes, the integrated device of the upper and lower two and the single layer linear super capacitor group can be obtained. The preparation method of the invention has the advantages of simple operation, the product has good flexibility, can knit ability, a plurality of super capacitor series parallel integration respectively advantages of voltage and current, without special equipment, to achieve the scale of production.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于线状纤维
，更具体地，本专利技术涉及一种超高电导率聚合物纤维、线状超级电容器组及其制备方法。
技术介绍
可穿戴和电子织物受到人们的极大关注，在便携电子设备中占据主导地位。其中柔性是必不可少的条件之一。在各种各样的柔性能源器件中，线状结构的超级电容器更适合用于可穿戴设备和电子织物。高电导率的柔性纤维可减少能源损耗提高效率，除了传统的金属线外，导电聚合物纤维由于其高电导率、高柔韧性、轻质量和快速的氧还原转换速率而被广泛用于能源储存转换设备。导电聚合物如聚苯胺(PANi)，聚吡咯(PPy)和聚乙烯二氧噻吩(PEDOT:PSS)，以及他们和碳纳米管、石墨烯或氧化石墨烯的复合材料已被广泛研究作为聚合物纤维用于电子织物和可穿戴设备。而对于便携设备，这些设备必须满足质量轻，循环稳定性好，同时具有高的能量密度，传统的电容器的电压一般在0.8-1V左右，而且其能量密度都相当低，所以，这就迫切的需要在相关的领域具有突破性的研究。近年来，聚合物由于其优异的可纺丝性，超高的循环稳定性和极好的柔韧性而被广范研究，这里我们用各种无机酸处理的方法提高聚合物纤维的电导率和电压窗口。通常，同轴结构和缠绕结构的超级电容器在弯曲的条件下依然具有优异的性能，但是实际应用的电子纺织器件，他们的电压窗口一般都在0.8-1V，因此在应用过程中必须进行串联处理，通常的串联是用铜丝或者银胶进行连接，但是在连接处往往易断裂和破损。因此一体化在许多应用中至关重要。迄今为止，没有关于一体化的线状超级电容器的研究，这主要是受到电极材料的限制。本专利技术运用弹性纤维上缠绕线状超级电容器的方法，制备出具有一体化的弹性线状超级电容器，为相关电子器件及其复合器件的设计提供了新的思路。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决上述技术问题，提供一种高电压窗口、超高电导率聚合物纤维及其制备方法及一体化的弹性线状超级电容器的组装方法。本专利技术的制备方法无需特殊设备，容易实现规模化生产；并且串并联后的器件可以进行任意的弯曲拉伸而不影响其性能。为了达到上述目的，本专利技术的一种实施方式采用以下技术方案：一种超高电导率聚合物纤维的制备方法，它包括以下步骤：a.通过湿纺的方法利用浓度为0.1wt.％-76.5wt.％的导电聚合物制备柔性的聚合物纤维，凝固浴是质量分数为3％-8％的无机盐溶液与有机溶剂的混合溶液，所述无机盐溶液与有机溶剂的体积比在25:1-1:50范围内，利用注射泵进行推送，推送的速度为0.1-100ml/min，挤出直径为0.1-2000μm；b.将得到的聚合物纤维在无机溶液中处理0.01-10h，用蒸馏水洗净，得到电压窗口≥1V、电导率≥1000S/cm的高工作电压窗口和超高电导率的聚合物纤维。上述超高电导率聚合物纤维的制备方法中，所述导电聚合物为聚吡咯及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚噻吩及其衍生物、聚呋喃及其衍生物和聚乙炔及其衍生物中的任意一种。上述超高电导率聚合物纤维的制备方法中，步骤a所述无机盐为氯化镁、硫酸钙、硫酸钠、硫酸锂、氯化锂、硫酸钾、硫酸镁、氯化钙、氯化锌、硫酸锌、磷酸钙、磷酸钠、氯化钠和氯化钾中的一种或多种；所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基丙酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、叔丁醇、正丁醇、异丁醇、异丙醇、三氯甲烷、二氯甲烷、四氢呋喃乙二醇、甲醇和乙醇中的一种或多种；步骤b所述无机溶液为浓磷酸、浓度＞98.5％的发烟硫酸、浓度＞90％的发烟硝酸、浓盐酸、氢氟酸和甲酸中的一种或多种。采用上述制备方法制得的聚合物纤维，其工作电压≥1V、电导率≥1000S/cm，因此它是一种高电压窗口、超高电导率的聚合物纤维，它不但可以作为导线连接不同电容器器件，组成一体化串联容器(其串联数为2-1000)，还可作为电容器的电极材料提供能量储存。本专利技术还提供了线状超级电容器组的制备方法，具体包括两种制备方法：方法一、制备上下两层的线状超级电容器组一体化器件①以一股单倍长度的导电聚合物纤维螺旋缠绕在弹性线上，其中一部分表面涂覆凝胶电解液作为第一个超级电容器的内电极，剩余部分表面不涂覆凝胶电解液作为导线；②然后取一股双倍长的导电聚合物纤维，其一部分螺旋缠绕在第一个超级电容器的内电极外作为第一个超级电容器的外电极，其剩余部分直接螺旋缠绕在所述弹性线上，直接螺旋缠绕在所述弹性线上的导电聚合物纤维同样一部分表面涂覆凝胶电解液作为第二个超级电容器的内电极，剩余部分表面不涂覆凝胶电解液作为导线连接两个相邻的超级电容器；③接着不断利用导电聚合物纤维重复上述步骤②直到线状超级电容器组一体化器件的长度达到使用要求为止；④最后在每一段导线的表面涂覆弹性凝胶电解液，制得多个超级电容器串联的上下两层的线状超级电容器组一体化器件；方法二、制备同步单层的线状超级电容器组一体化器件①将一股单倍长度的导电聚合物纤维和一股双倍长度的导电聚合物纤维以恒定间距同步螺旋缠绕在弹性线上，单倍长度的导电聚合物纤维在右侧作为第一个超级电容器的外电极，双倍长度的导电聚合物纤维在左侧，其与外电极同步螺旋缠绕的部分作为第一个超级电容器的内电极，内、外电极的表面涂覆凝胶电解液；②双倍长度的导电聚合物纤维未与第一个超级电容器的外电极同步螺旋缠绕的部分直接螺旋缠绕在所述弹性线上，直接螺旋缠绕在所述弹性线上的导电聚合物纤维一部分作为第二个超级电容器的内电极，另一部分作为连接两个超级电容器的导线；另一股双倍长度的导电聚合物纤维的一部分与第二个超级电容器的内电极以相同的间距螺旋缠绕在弹性线上作为第二个超级电容器的外电极，内、外电极的表面涂覆凝胶电解液，另一部分直接缠绕在弹性线上；③接着不断利用导电聚合物纤维重复上述步骤①和②直到线状超级电容器组一体化器件的长度达到使用要求为止；④最后在每一段导线的表面涂覆弹性凝胶电解液，制得多个超级电容器串联的同步单层的线状超级电容器组一体化器件。上述线状超级电容器组的制备方法中，所述螺旋缠绕的方法是：使用两个马达和一个平移台，把一根弹性线的两端固定在两个马达上，把一根导电聚合物纤维的一端以某一螺旋角度固定在弹性线上，另一端通过平移台牵引使该螺旋角度保持不变，该螺旋角度根据需要进行选择；同步开启两个马达，弹性线随之转动，导电聚合物纤维以设定的螺旋角度不断地缠绕在弹性线上；连续不断地进行上述过程，即可以使多根导电聚合物纤维以恒定角度螺旋缠绕弹性线。上述线状超级电容器组的制备方法中，所述螺旋角度为5-180°。上述线状超级电容器组的制备方法中，一股导电聚合物纤维包括1-100根导电聚合物纤维，0≤其拉伸比例≤800％。采用上述制备方法制得的线状超级电容器组的串联的数量为2-1000。所述线状超级电容器组的是集导电和储能一体化的可拉伸、串联的线状超级电容器组，其拉伸率可达800％，并且可以任意的弯曲和编织，具有非常好的柔性。按照上述步骤，三个串联的超级电容器和电解液制备成一体化的柔性器件，可以点亮五个LED灯。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术提供一种高电压窗口超高电导率聚合物纤维及线状超级电容器组的制备方法，具有操作简单，柔韧性能好，可编织能力强，多个超级电容器一体化串并联分别提高电压和电流的优点，无需特殊设备，容易实现规模生产。其可以应用在可穿戴高能量密度超级电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高电导率聚合物纤维的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：a.通过湿纺的方法利用浓度为0.1wt.％‑76.5wt.％的导电聚合物制备柔性的聚合物纤维，凝固浴是质量分数为3％‑8％的无机盐溶液与有机溶剂的混合溶液，所述无机盐溶液与有机溶剂的体积比在25:1‑1:50范围内，利用注射泵进行推送，推送的速度为0.1‑100ml/min，挤出直径为0.1‑2000μm；b.将得到的聚合物纤维在无机溶液中处理0.01‑10h，用蒸馏水洗净，得到电压窗口≥1V、电导率≥1000S/cm的高工作电压窗口和超高电导率的聚合物纤维。

【技术特征摘要】
1.一种超高电导率聚合物纤维的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：a.通过湿纺的方法利用浓度为0.1wt.％-76.5wt.％的导电聚合物制备柔性的聚合物纤维，凝固浴是质量分数为3％-8％的无机盐溶液与有机溶剂的混合溶液，所述无机盐溶液与有机溶剂的体积比在25:1-1:50范围内，利用注射泵进行推送，推送的速度为0.1-100ml/min，挤出直径为0.1-2000μm；b.将得到的聚合物纤维在无机溶液中处理0.01-10h，用蒸馏水洗净，得到电压窗口≥1V、电导率≥1000S/cm的高工作电压窗口和超高电导率的聚合物纤维。2.根据权利要求1所述的超高电导率聚合物纤维的制备方法，其特征在于所述导电聚合物为聚吡咯及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚噻吩及其衍生物、聚呋喃及其衍生物和聚乙炔及其衍生物中的任意一种。3.根据权利要求1所述的超高电导率聚合物纤维的制备方法，其特征在于步骤a所述无机盐为氯化镁、硫酸钙、硫酸钠、硫酸锂、氯化锂、硫酸钾、硫酸镁、氯化钙、氯化锌、硫酸锌、磷酸钙、磷酸钠、氯化钠和氯化钾中的一种或多种；所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基丙酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、叔丁醇、正丁醇、异丁醇、异丙醇、三氯甲烷、二氯甲烷、四氢呋喃乙二醇、甲醇和乙醇中的一种或多种；步骤b所述无机溶液为浓磷酸、浓度＞98.5％的发烟硫酸、浓度＞90％的发烟硝酸、浓盐酸、氢氟酸和甲酸中的一种或多种。4.采用权利要求1-3任意一项所述的制备方法制得的聚合物纤维，其特征在于它的工作电压≥1V、电导率≥1000S/cm。5.线状超级电容器组的制备方法，其特征在于包括两种制备方法：方法一、制备上下两层的线状超级电容器组一体化器件①以一股单倍长度的导电聚合物纤维螺旋缠绕在弹性线上，其中一部分表面涂覆凝胶电解液作为第一个超级电容器的内电极，剩余部分表面不涂覆凝胶电解液作为导线；②然后取一股双倍长的导电聚合物纤维，其一部分螺旋缠绕在第一个超级电容器的内电极外作为第一个超级电容器的外电极，其剩余部分直接螺旋缠绕在所述弹性线上，直接螺旋缠绕在所述弹性线上的导电聚合物纤维同样一部分表面涂覆凝胶电解液作为第二个超级电容器的内电极，剩余部分表面不涂覆凝胶电解液作为导线连接两个相邻的超级电容器；③接...

【专利技术属性】
技术研发人员：王斌，程建丽，王转培，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院化工材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51