基于碳纳米管螺旋纤维的可拉伸超级电容器的制备与性能研究

Carbon nanotube (CNT) fibers are widely used as electrode materials for light-weighted, flexible energy devices. The stretchable devices based on CNT fibers have stimulated tremendous interest recently. This project aims to develop a high stretchable supercapacitor based on helical CNT fibers, which can work under super-elongation and have elastic recovery. The capacitance of the supercapacitor will be further improved by spinning CNT films uniformly modified with conductive polymers. The performance of the helical CNT composite fiber-shaped supercapacitor will be studied under many deformation conditions such as a large strain, repeated and dynamic (with a high speed) stretching. Based on the work of this project, a type of highly stretchable helical CNT fiber-shaped supercapacitor will be developed for practicable application in future.

碳纳米管纤维在制备轻质、柔性的能源器件方面应用广泛，基于碳纳米管纤维的可拉伸器件是近来的研究热点。本课题拟基于新开发的碳纳米管螺旋纤维制备出大应变拉伸的纤维超级电容器。一方面通过螺旋结构实现大应变的拉伸和回弹，一方面通过导电聚合物先对碳纳米管薄膜均匀修饰，然后将其制备成复合纤维来提高电容性能。研究螺旋纤维超级电容器在大应变拉伸、反复拉伸循环以及高频动态拉伸疲劳等条件下的电容性能。通过项目的实施，制备一种可拉伸的碳纳米管螺旋纤维超级电容器。

本项目的主要内容是研究碳纳米管螺旋纤维的制备以及对其进行功能复合，并基于这些复合体系制备纳米电子器件，探索潜在的应用。过去三年中，项目在新型纤维体系的建立、纳米材料自组装结构的调控、功能器件的制备和应用等方面进行了系统深入的研究，取得了一系列的原创性成果。主要成果简述如下.（1）制备了长达1米的碳纳米管螺旋纤维。通过控制纺丝工艺成功制备出长达1米的碳纳米管螺旋纤维，全部由单壁碳纳米管组成，原始状态下即具有很高的导电性。这种长的螺旋形纤维呈现出许多独特的性能，可以像弓弦或橡皮筋一样大幅度变形或快速反复地拉伸，可以自行收缩成更为复杂的多级结构，同时具有很好的抗疲劳特性，能够经受几十万次的高频率拉伸。还可以用作可拉伸的温度传感器和气敏传感器，探测接近300℃的高温和NO、NO2和NH3等有害气体。 .（2）合成碳纳米管/聚吡咯复合纤维，组装柔性的纤维超级电容器。通过在碳纳米管上沉积聚吡咯以提高质量比电容，并且仍保持了碳纳米管薄膜的柔性。复合薄膜超级电容器能够在任意变形（弯曲、弯成“S”型和扭曲）条件下的保持电容性能稳定。采用直接纺丝法将复合薄膜制成螺旋状复合纤维，并作为柔性纤维电极制作成全固态超级电容器。薄膜的质量比电容从6.8F/g提高到了242F/g，纤维的质量比电容达到166F/g。.（3）采用大面积的氧化石墨烯薄膜制备螺旋氧化石墨烯纤维，以及碳纳米管/氧化石墨烯复合纤维。通过在聚四氟乙烯的平板上平铺大面积的氧化石墨烯薄膜。在纺丝过程中巧妙采用水蒸气喷雾润湿氧化石墨烯，制备了螺旋结构氧化石墨烯纤维，氢碘酸还原后得到导电性能良好的石墨烯螺旋纤维，拉伸应变可达60%。研究了其作为电抽吸方面的应用。此外，通过旋转浸泡氧化石墨烯溶液，碳纳米管薄膜不断嵌入从而获得SWNT/GO/SWNT/GO……层状结构。复合膜的柔韧性很好，可操作性强，可制备连续的复合纤维。 .在Nano Letters, Carbon等期刊发表论文共计8篇。