本發(fā)明屬于超級(jí)電容器領(lǐng)域，尤其是涉及一種3d打印碳纖維電極多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、目前，針對(duì)3d打印超級(jí)電容器，大多數(shù)都采用非直寫打印方式，且用于儲(chǔ)能設(shè)備的連續(xù)纖維3d打印技術(shù)方法存在無(wú)法精確控制多材料結(jié)構(gòu)中的纖維取向局限性。幾乎沒有方法用最少的后處理來(lái)3d打印連續(xù)纖維形狀的能量存儲(chǔ)設(shè)備，本發(fā)明研究的多級(jí)螺旋機(jī)構(gòu)特征被認(rèn)為引起所得超級(jí)電容器機(jī)械性能顯著提升，并對(duì)其電化學(xué)性能也有不同程度的提升。而其他3d打印超級(jí)電容器對(duì)多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)電極的電化學(xué)和機(jī)械性能研究幾乎沒有研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種3d打印碳纖維電極多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器及其制備方法。

2、3d打印碳纖維電極多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的制備方法，包括以下步驟：

3、步驟1、利用活性炭、炭黑和聚偏二氟乙烯制備電極漿料；

4、步驟2、將電極漿料均勻涂布在碳纖維紗線上，得到碳纖維電極；

5、步驟3、利用1-乙基-3-甲基咪唑氯化物、殼聚糖和甲基丙烯酸羥乙酯制備凝膠電解質(zhì)，并將凝膠電解質(zhì)涂覆在碳纖維柔性基底表面得到復(fù)合基底；

6、步驟4、將兩根碳纖維交纏編織得到單位編織電極，將多組單位編織電極再次交纏編織得到整體多級(jí)螺旋編織電極；

7、步驟5、將多級(jí)螺旋編織電極和硅樹脂放置于多軸擠出系統(tǒng)中，所述多軸擠出系統(tǒng)利用同軸噴嘴將多級(jí)螺旋編織電極和硅樹脂同步混合擠出涂覆到復(fù)合基底表面，得到3d打印碳纖維電極多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器。

8、進(jìn)一步的，所述步驟1中，制備電極漿料的方法具體為：將研磨的活性炭、炭黑和真空干燥的聚偏二氟乙烯以質(zhì)量比(70-80)：20：5的比例混合在3000μl?1-甲基-2-吡咯烷酮中，并均勻攪拌2h以上制備得到電極漿料。

9、進(jìn)一步的，所述步驟3中，利用1-乙基-3-甲基咪唑氯化物、殼聚糖和甲基丙烯酸羥乙酯制備凝膠電解質(zhì)的具體方法包括以下步驟：

10、步驟3.1、通過將殼聚糖與1-乙基-3-甲基咪唑氯化物以3：80的重量比在80℃下共混4小時(shí)制備得到殼聚糖/1-乙基-3-甲基咪唑氯化物溶液，然后將該溶液和甲基丙烯酸羥乙酯以83：17的質(zhì)量比混合在一起，再進(jìn)行45分鐘uv光聚合得到凝膠；

11、步驟3.2、將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20-30％的去離子水加入到步驟1的凝膠中，并保持1小時(shí)。

12、3d打印碳纖維電極多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器，由上述方法制備得到。

13、本發(fā)明具有如下有益技術(shù)效果：

14、本發(fā)明有助于一步創(chuàng)建編織的柔性固態(tài)超級(jí)電容器，本方法通過使用連續(xù)碳纖維作為柔性基底，炭基活性材料作為活性材料制備編織電極，整個(gè)電極組件涂有1-乙基-3-甲基咪唑氯化物/殼聚糖/甲基丙烯酸羥乙酯電解質(zhì)，然后通過直寫技術(shù)將編織電極和硅膠通過同軸噴嘴擠出，從而實(shí)現(xiàn)編織電極原位封裝。本發(fā)明的編織電極采用多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)，使得在相同活性物質(zhì)負(fù)載量的情況下，多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)比普通結(jié)構(gòu)的比電容高出40％，說(shuō)明了本發(fā)明多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)超級(jí)電容器的電化學(xué)性能的顯著增強(qiáng)，本發(fā)明可以生產(chǎn)自由形式的柔性固態(tài)超級(jí)電容器，具備增強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度，出色的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性和低擴(kuò)散阻力，以及在各種彎曲狀態(tài)下的一致性能，為下一代可穿戴電子產(chǎn)品鋪平了道路。

技術(shù)特征：

1.3d打印碳纖維電極多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3d打印碳纖維電極多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的制備方法，其特征在于，所述步驟1中，制備電極漿料的方法具體為：將研磨的活性炭、炭黑和真空干燥的聚偏二氟乙烯以質(zhì)量比(70-80)：20：5的比例混合在3000μl?1-甲基-2-吡咯烷酮中，并均勻攪拌2h以上制備得到電極漿料。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3d打印碳纖維電極多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的制備方法，其特征在于，所述步驟3中，利用1-乙基-3-甲基咪唑氯化物、殼聚糖和甲基丙烯酸羥乙酯制備凝膠電解質(zhì)的具體方法包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3d打印碳纖維電極多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的制備方法，其特征在于，所述步驟3中，復(fù)合基底設(shè)置在溫度控制板上，溫度控制板用于對(duì)復(fù)合基底進(jìn)行加熱。

5.3d打印碳纖維電極多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器，其特征在于，由權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述方法制備得到。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種3D打印碳纖維電極多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器及其制備方法，本發(fā)明的方法通過使用連續(xù)碳纖維作為柔性基底，碳基電極活性材料作為活性材料制備編織電極，整個(gè)電極組件涂有1?乙基?3?甲基咪唑氯化物/殼聚糖/甲基丙烯酸羥乙酯電解質(zhì)，然后通過直寫技術(shù)將編織電極和硅膠通過同軸噴嘴擠出，從而實(shí)現(xiàn)編織電極原位封裝。通過實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明可以生產(chǎn)自由形式的柔性固態(tài)超級(jí)電容器，得到的超級(jí)電容器具備增強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度，出色的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性和低擴(kuò)散阻力，以及在各種彎曲狀態(tài)下的一致性能，為下一代可穿戴電子產(chǎn)品鋪平了道路。

技術(shù)研發(fā)人員：程濛,湯克豪,江一舟,楊卓元
受保護(hù)的技術(shù)使用者：武漢科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28