一種3D多功能柔性材料及其應用制造技術

本發明專利技術公開了一種3D多功能柔性材料及其應用，所述柔性材料包括基底層、基底層外包裹的界面錨定層和與界面錨定層上生長的傳導吸附層；所述柔性材料可用于制備柔性全固態超級電容器、柔性熱阻加熱器和可穿戴自加熱柔性儲能器件。所述柔性全固態超級電容器的正極和負極均由3D多功能柔性材料制成；所述柔性熱阻加熱器由3D多功能柔性材料制成；所述可穿戴自加熱柔性儲能器件包括柔性全固態超級電容器，導線和柔性熱阻加熱器。本發明專利技術的柔性全固態超級電容器具有高能量密度和出色的循環穩定性；柔性熱阻加熱器只需要很小的電壓就具有很高的飽和溫度；可穿戴自加熱柔性儲能器件可在很低電壓下具有很好的飽和溫度，可以用于保暖，熱療等。

A 3D multifunctional flexible material and its application

【技術實現步驟摘要】
一種3D多功能柔性材料及其應用
本專利技術涉及新能源材料
，具體涉及一種3D多功能柔性材料及其應用。
技術介紹
人類對化石能源的過渡依賴和消耗造成了嚴重的環境問題和能源危機，為實現可持續發展的能源的開發和利用，新能源和新型能源裝置研究引起廣泛關注。超級電容器，為一種能量存儲裝置，具有非常高的功率密度、長循環壽命、充放電速度快、對環境無污染等被廣泛應用于航空航天、通訊設備、備用電源、國防科技以及電動汽車等關乎社會民生的領域。由于肥胖，各類職業病或衰老，容易造成人體關節受傷。而關節受傷通常會導致許多癥狀，例如疼痛，腫脹和肌肉無力，熱療被廣泛用于改善這些癥狀。熱療是經典的骨科治療方法之一，通常用于治療風濕性關節炎，頸椎病和外傷。移動式用電設備以及柔性可穿戴設備的廣泛使用則不斷要求我們開發更輕便的具有優異循環穩定性的儲能設備。所以，目前需要一種可穿戴自加熱柔性儲能器件既方便穿戴，移動使用，又輕便并能循環穩定儲能，來滿足人們在熱療和保暖中的需求。納米材料的廣泛研究極大地推動了超級電容器等先進儲能技術的蓬勃發展。碳納米管由于其地球儲蓄豐富，較高的導電性和導熱性，極大的比表面積以及良好的抗酸堿性，被運用于超級電容器的電極材料的研究。但是，超級電容器電極材料存在導電性能差、局部分散不均勻、與電解液接觸面性能不穩定等納米材料領域常見的問題，影響了超級電容器基本性能。電極材料結構決定了器件的性能，比如柔性、高比容量和高穩定性等。設計合成電極需要考慮活性組分、負載方式和比表面積等參數，優化電極結構，實現高性能器件構建。因此對超級電容器進行電極材料的設計、合成與性能研究非常重要。
技術實現思路
針對上述現有技術，本專利技術的目的是提供一種3D多功能柔性材料及其應用。本專利技術的3D多功能柔性材料一步實現活性組分、錨定負載和大的比表面積的三維柔性電極構建，用于柔性全固態超級電容器或柔性電阻加熱器中效果顯著。為實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：本專利技術的第一方面，提供一種3D多功能柔性材料，所述柔性材料包括基底層、基底層外包裹的界面錨定層和界面錨定層上生長的傳導吸附層；所述基底層為碳布、石墨紙或金屬箔中的一種；所述界面錨定層為碳化鉬顆粒；所述傳導吸附層為碳納米管；所述碳納米管垂直于生長于碳化鉬顆粒上；所述碳納米管的頂端包覆有金屬納米顆粒，所述碳納米管上還修飾有碳化鉬納米團簇。優選的，所述金屬納米顆粒為鎳納米顆粒、鈷納米顆粒、鐵納米顆粒或銅納米顆粒中的一種。優選的，所述碳納米管的直徑為20～100nm；金屬納米顆粒的直徑為20～60nm；所述碳化鉬納米團簇的直徑為2～10nm；所述碳化鉬顆粒的直徑為10～50nm。本專利技術的第二方面，提供3D多功能柔性材料在如下1)～3)至少一項中的用途：1)制備柔性全固態超級電容器；2)制備柔性熱阻加熱器；3)制備可穿戴自加熱柔性儲能器件。本專利技術的第三方面，提供一種柔性全固態超級電容器，所述柔性全固態超級電容器包括正極和負極；所述正極和負極均由3D多功能柔性材料制成。本專利技術的第四方面，提供一種柔性熱阻加熱器，所述柔性熱阻加熱器由3D多功能柔性材料制成。本專利技術的第五方面，提供一種可穿戴自加熱柔性儲能器件，所述可穿戴自加熱柔性儲能器件包括柔性全固態超級電容器，所述柔性全固態超級電容器的兩端分別與第一導線和第二導線連接，所述第一導線和第二導線的另一端與柔性熱阻加熱器連接。優選的，所述第一導線和第二導線均為包覆銅導線的橡膠帶，硅膠帶或塑料帶中的一種；所述第一導線上設有開關。優選的，所述第一導線和第二導線上均設有導線調整收縮器，所述第二導線與柔性熱阻加熱器之間通過磁吸式觸點連接。本專利技術的第六方面，提供可穿戴自加熱柔性儲能器件在熱療和保暖中的應用。本專利技術的有益效果：1.本專利技術的3D多功能柔性材料，形貌規整、分布均勻，比表面積高，導電性好。是通過高溫碳化，得到碳納米管，金屬鎳和碳化鉬組成的復合3D電極，制備工藝簡單。2.本專利技術的3D多功能柔性材料，不同組分具備不同的功能，且相互之間有很好得協同作用，可以用作超級電容器的正極和負極，具有很好的電化學性能和循環壽命；還可以作為熱阻加熱器，在很低電壓下具有很好的飽和溫度，提供人體熱量。3.本專利技術的柔性全固態超級電容器具有高能量密度和出色的循環穩定性。4.本專利技術的柔性熱阻加熱器只需要很小的電壓就具有很高的飽和溫度，柔性熱阻加熱器表面的溫度均勻。5.本專利技術的可穿戴自加熱柔性儲能器件可在很低電壓下具有很好的飽和溫度，可以用于可穿戴保暖，熱療等，為熱療提供熱量。附圖說明圖1：3D多功能柔性材料的結構圖,其中,1為碳纖維,2為碳化鉬顆粒，3為碳納米管，4為鎳納米顆粒，5為碳化鉬納米團簇。圖2：3D多功能柔性材料的XRD圖譜。圖3：3D多功能柔性材料的SEM圖片，其中圖(a)放大至2μm，圖(b)放大至300nm。圖4：(a)為3D多功能柔性材料截面的SEM圖，(b)為圖4(a)方框中的放大圖，其中，1為碳纖維，2為碳化鉬顆粒組成的界面錨定層，3為碳包鎳納米管陣列。圖5：可穿戴自加熱柔性儲能器件的示意圖，其中，1為柔性全固態超級電容器，2為柔性熱阻加熱器，3為第一導線，4為第二導線，5為開關，6為導線調整收縮器。圖6：可穿戴自加熱柔性儲能器件發熱時間-溫度曲線圖。圖7：不同直流電壓下3D多功能柔性材料的時間溫度曲線，以及對應的飽和溫度熱成像圖。圖8：不同掃描速度下的循環伏安曲線，其中，(a)為3D多功能柔性材料作為負極在不同掃描速度下的循環伏安曲線；(b)為3D多功能柔性材料作為正極在不同掃描速度下的循環伏安曲線；(c)為3D多功能柔性材料作為正極和負極同時在同一掃描速度下的循環伏安曲線(d)為3D多功能柔性材料制備的柔性全固態超級電容器在不同掃描速度下的循環伏安曲線。具體實施方式應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬
的普通技術人員通常理解的相同含義。正如
技術介紹
所述，現有的柔性電極制作的超級電容器存在導電性能差、局部分散不均勻、與電解液接觸面性能不穩定等問題，且柔性材料的制備工藝復雜。基于此，本專利技術提供一種3D多功能柔性材料，由基底層、界面錨定層和傳導吸附層組成一種類似三明治的3D結構(見圖1)，形貌規整、分布均勻，比表面積高，導電性好。本專利技術的3D多功能柔性材料可由以下步驟制備的：(1)將鉬酸鈉和氯化鎳溶于蒸餾水中，得到淺藍色澄清的鉬酸鈉-氯化鎳混合液；(2)將碳布浸入步驟(1)得到的鉬酸鈉-氯化鎳混合液中并移至密閉容器內，將密閉容器置于160℃下干燥6小時，然后取出碳布并清洗、干燥，制得負載鉬酸鎳納米片的碳布(即NiMoO4/CC)；<本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種3D多功能柔性材料，其特征在于，所述柔性材料包括基底層、基底層外包裹的界面錨定層和界面錨定層上生長的傳導吸附層；/n所述基底層為碳布、石墨紙或金屬箔中的一種；/n所述界面錨定層為碳化鉬顆粒；/n所述傳導吸附層為碳納米管；/n所述碳納米管垂直于生長于碳化鉬顆粒上；所述碳納米管的頂端包覆有金屬納米顆粒，所述碳納米管上還修飾有碳化鉬納米團簇。/n

【技術特征摘要】
1.一種3D多功能柔性材料，其特征在于，所述柔性材料包括基底層、基底層外包裹的界面錨定層和界面錨定層上生長的傳導吸附層；
所述基底層為碳布、石墨紙或金屬箔中的一種；
所述界面錨定層為碳化鉬顆粒；
所述傳導吸附層為碳納米管；
所述碳納米管垂直于生長于碳化鉬顆粒上；所述碳納米管的頂端包覆有金屬納米顆粒，所述碳納米管上還修飾有碳化鉬納米團簇。


2.根據權利要求1所述的柔性材料，其特征在于，所述金屬納米顆粒為鎳納米顆粒、鈷納米顆粒、鐵納米顆粒或銅納米顆粒中的一種。


3.根據權利要求1或2所述的柔性材料，其特征在于，所述碳納米管的直徑為20～100nm；金屬納米顆粒的直徑為20～60nm；所述碳化鉬納米團簇的直徑為2～10nm；所述碳化鉬顆粒的直徑為10～50nm。


4.權利要求1～3中任一項所述的3D多功能柔性材料在如下1)～3)至少一項中的用途：
1)制備柔性全固態超級電容器；
2)制備柔性熱阻加熱器；
3)制備可穿戴自加熱柔性儲能器件。


5.一種柔性全固態超級電...

【專利技術屬性】
技術研發人員：周偉家，柳凡，何杰通，袁召，欒峰，劉宏，
申請(專利權)人：濟南大學，
類型：發明
國別省市：山東;37