【摘 要】
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随着柔性可穿戴电子产品的出现,开发与之匹配的柔性储能装置成为研究重点。纱线状超级电容器因其轻质、灵活、容易制备、易于编织等优点受到广大研究者的关注。本文结合静电纺和溶液喷射纺的优势,设计出了静电-溶吹纺纱装置,并对聚丙烯腈（PAN）纳米纤维纱线的纺纱工艺进行了探究。以纳米纤维纱线为柔性基底,原位接枝聚吡咯制备纱线电极,在其表面涂覆凝胶电解质装配成对称型超级电容器,研究电极材料的电化学性能。主要的研
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随着柔性可穿戴电子产品的出现,开发与之匹配的柔性储能装置成为研究重点。纱线状超级电容器因其轻质、灵活、容易制备、易于编织等优点受到广大研究者的关注。本文结合静电纺和溶液喷射纺的优势,设计出了静电-溶吹纺纱装置,并对聚丙烯腈（PAN）纳米纤维纱线的纺纱工艺进行了探究。以纳米纤维纱线为柔性基底,原位接枝聚吡咯制备纱线电极,在其表面涂覆凝胶电解质装配成对称型超级电容器,研究电极材料的电化学性能。主要的研究内容和结果包括:（1）本课题在静电场和气流场的双重作用下,搭建了可连续制备纳米纤维纱线的静电-溶吹装置,通过制备PAN、PAN/棉等多种纳米纤维纱线（NFYs）,验证了该装置的可适性。探究了不同溶液浓度、电压、气压、漏斗转速、卷绕速度对纳米纤维直径和纱线直径的影响。结果发现:当PAN溶液浓度为11%,电压为8 k V,气压为0.06 MPa,漏斗转速为300 rmp,卷绕速度为0.3 mm/s时,纳米纤维直径均匀,排列整齐,成纱取向度高。采用Box-Benhnken（BBD）响应面法对纺纱参数进行优化,通过构建回归模型可知各因素对纱线直径的影响顺序为:卷绕速度＞静电电压＞气流＞漏斗转速,且彼此存在明显的交互作用。（2）将导电纳米颗粒CNT和MXene分别加入PAN纺丝液中,通过静电-溶吹装置制备获得PAN/CNT和PAN/MXene纳米纤维纱线,即NFY-PAN/CNT和NFY-PAN/MX,同时制备纯PAN纳米纤维纱线（NFY-PAN）做对比。分别在三种纱线表面沉积导电聚合物聚吡咯（PPy）,得到NFY-PAN/CNT PPy、NFY-PAN/MXene PPy和NFY-PAN PPy电极材料,通过表面涂覆聚乙烯醇/氯化锂/磷酸（PVA/Li Cl/H3PO4）凝胶电解质后组装为纱线状超级电容器。结果表明:PPy最佳聚合时间为3 h,纱线电极在三电极测试系统中具有一定的电容性。比较组装后超级电容器的性能发现,发现NFY-PAN/MX PPY电容器的电化学性能较好。当电流密度为0.1 A g-1时,电容器的能量密度和功率密度分别为18.21μWh cm-2和0.27 m W cm-2,经过5000次循环,电容循环保持率为65%。最后将NFY-PAN/MX PPy纱线状超级电容器与普通纱线编织成织物点亮LED灯,证实纱线状超级电容器可作为储能器件为柔性电子供能。
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