【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于二次电池，涉及一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线及其制备和应用。
技术介绍
1、随着全球便携式和可穿戴电子产品市场的蓬勃发展，对功能强大、可穿戴、实用的储能设备的需求迫在眉睫。在这一背景下，锂离子电池(libs)作为一种具有周期长、自放电小、无存储效应、生产工艺成熟等优点的储能设备，在便携式设备中得到了广泛应用。然而，传统libs的庞大和刚性特征限制了其在纺织业中的兼容性，以及无法满足可穿戴设备对透气性、灵活性和集成小型化的高要求。
2、为了解决这一问题，一维纤维状电池成为一种理想选择，并为柔性可穿戴电子领域提供了多种可能性。然而，现阶段金属纤维构建的纤维状锂离子电池存在柔顺性较差、脆性较大和电池容量保持率衰减等问题。因此，一些研究人员将纺织纤维作为电池的基底材料，如天然纤维和合成纤维，通过负载导电、活性物质制备具有柔性和高导电率的纤维电极材料。例如，文献1(winding aligned carbon nanotube composite yarns into coaxialfiber full batteries with high performances[j].nano letters，2014，14(6)：3432-3438.)使用棉纱为基底，制备了具有柔性和高能量密度的棉纤维锂离子电池。类似地，文献2(fabrication ofa coaxial high performance fiber lithium-ion batterysupported by a cotton yarn ele
3、然而，尽管天然纤维和合成纤维具有独特的理化性能，但作为纤维电池的组成单元时，它们仅能提供骨架作用且不导电，这限制了电荷传输并增加了能量损耗，从而降低了输出效果。
4、因此，对纤维状电极进行合理的结构构建就显得尤为重要。通过操纵介观尺度的结构设计，尤其利用具有电荷关联或吸附功能的多孔结构将有助于电极曲面上的电荷转移，是保持连续的长距离传输的有效途径，而纤维电极的分层组装可能是降低界面衰减对器件性能影响的有效策略。巧妙的结构构建，有望显著提高纤维状电池的电化学性能，进而满足可穿戴电子设备的要求，并推动纤维状锂离子电池在可穿戴电子产品中的广泛应用。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线及其制备和应用。
2、为达到上述目的，本专利技术采用的方案如下：
3、一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线，是以微纳米纤维作为支撑骨架，在微纳米纤维表面上及微纳米纤维间粘附二维片层形成的，具有长程互穿网络结构(指在长距离方向上网络结构之间相互贯穿)；
4、沿着具有多级层次孔道嵌套网络的纱线的横向方向，多级层次孔道嵌套网络包括各向同性的多个大孔结构；沿着具有多级层次孔道嵌套网络的纱线的轴向方向，所有大孔结构分别形成贯通孔道；大孔结构的孔壁由二维片层和多个依次连接的小孔结构构成，小孔结构由微纳米纤维相互缠结形成，多个小孔结构不完全被二维片层包覆，未被二维片层包覆的小孔结构与大孔结构贯通，大孔结构与小孔结构之间形成层次孔道嵌套；大孔结构的孔径不小于10μm，小孔结构的孔径不大于5μm。
5、作为优选的技术方案：
6、如上所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线，二维片层为mxene、石墨烯、层状过渡族金属二硫化物或层状碳化硅。
7、如上所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线，微纳米纤维为pvdf/peo纤维、pu纤维或尼龙纤维，本专利技术微纳米纤维的保护范围包括但不仅限于此，理论上除了能完全溶解在水中的微纳米纤维，其余材质的微纳米纤维均在本专利技术的保护范围内；纤维和二维片层之间，根据材料的选择，使得两者之间存在氢键作用，例如pvdf/peo纤维与mxene，pu纤维与mxene，氢键作用的存在，可以提高纱线的力学性能，如果材料选择不恰当，使得两者之间不存在氢键作用，会使得二维片层不能稳定固着在纤维表面。
8、如上所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线，微纳米纤维的直径为100nm～10μm，长度＞500nm，二维片层的长和宽范围均在100nm～20μm。
9、如上所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线，大孔结构的孔径为10～80μm，小孔结构的孔径为800nm～5μm。
10、如上所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线，具有多级层次孔道嵌套网络的纱线的质量为1～3mg/cm，断裂强力为0.5～10mpa。
11、本专利技术还提供如上任一项所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线的制备方法，静电纺丝喷射出的微纳米纤维落入水浴静电纺溶液浴的表面形成微纳米纤维网，经由设置在水浴静电纺溶液浴液面以下的压辊拉出，通过水浴接收装置的挡辊后依靠水的表面张力微纳米纤维网集束成纱线，将纱线引出卷绕在收集装置上，得到湿态微纳米纤维纱线，湿态微纳米纤维纱线最后经冷冻干燥获得具有多级层次孔道嵌套网络的纱线；
12、水浴静电纺溶液浴是将二维片层分散在水中形成的二维片层水溶液；
13、冷冻干燥是指将湿态微纳米纤维纱线沿着轴向垂直悬挂在-40～-30℃的冰箱中冷冻1～5小时，之后将冰冻的微纳米纤维纱线转移至冷冻干燥机中进行冻干，直至微纳米纤维纱线完全干燥。在冷冻过程中，冰晶诱导微纳米纤维和二维片层产生相分离，导致片层附着在冰晶表面。随着冰晶的生长，冰指间堆积的微纳米纤维和二维片层相互搭接，形成了连续的网络结构。在干燥过程中，冰晶逐渐升华，从而使得二维片层黏附在微纳米纤维网络中，同时冰晶升华造成的多孔结构得以保持。最终获得具有丰富孔结构的多级三维互联导电网络结构的微纳米纤维纱线。
14、其中，大孔的形成是由于湿态微纳米纤维纱线中的水在冷冻过程中冻结成冰，体积膨胀，后经过冷冻干燥后直接由冰升华成气体，原来冰的位置被保留下来就形成了大孔；小孔的形成是由于缠结的一维微纳米纤维的孔洞未被完全覆盖；其中，在冷冻过程中，水分子形成规则的冰晶结构。冰晶中的水分子排列有序，形成一系列的晶格空间，原本在水中的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线，其特征在于：是以微纳米纤维作为支撑骨架，在微纳米纤维表面上及微纳米纤维间粘附二维片层形成的，具有长程互穿网络结构；
2.根据权利要求1所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线，其特征在于，二维片层为MXene、石墨烯、层状过渡族金属二硫化物或层状碳化硅。
3.根据权利要求2所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线，其特征在于，微纳米纤维为PVDF/PEO纤维、PU纤维或尼龙纤维。
4.根据权利要求1所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线，其特征在于，微纳米纤维的直径为100nm～10μm，长度＞500nm，二维片层的长和宽范围均在100nm～20μm。
5.根据权利要求4所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线，其特征在于，大孔结构的孔径为10～80μm，小孔结构的孔径为800nm～5μm。
6.如权利要求1～5任一项所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线的制备方法，其特征在于：静电纺丝喷射出的微纳米纤维落入水浴静电纺溶液浴的表面形成微纳米纤维网，经由设置在水浴静电纺溶液浴液面
7.根据权利要求6所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线的制备方法，其特征在于，二维片层水溶液的浓度为4.5～6.5mg/mL。
8.根据权利要求6所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线的制备方法，其特征在于，静电纺丝采用的纺丝液为PVDF/PEO的THF/DMF溶液、PU的THF/DMF溶液或者尼龙的甲酸溶液，纺丝液的浓度为8～12wt％。
9.如权利要求1～5任一项所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线的应用，其特征在于：将具有多级层次孔道嵌套网络的纱线作为工作电极组装成纤维状锂离子半电池；
...【技术特征摘要】
1.一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线，其特征在于：是以微纳米纤维作为支撑骨架，在微纳米纤维表面上及微纳米纤维间粘附二维片层形成的，具有长程互穿网络结构；
2.根据权利要求1所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线，其特征在于，二维片层为mxene、石墨烯、层状过渡族金属二硫化物或层状碳化硅。
3.根据权利要求2所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线，其特征在于，微纳米纤维为pvdf/peo纤维、pu纤维或尼龙纤维。
4.根据权利要求1所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线，其特征在于，微纳米纤维的直径为100nm～10μm，长度＞500nm，二维片层的长和宽范围均在100nm～20μm。
5.根据权利要求4所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线，其特征在于，大孔结构的孔径为10～80μm，小孔结构的孔径为800nm～5μm。
6.如权利要求1～5任一项所述的一种具有多级层次孔道嵌套网络的纱线...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。