基于金屬織物的固態(tài)柔性超級(jí)電容器及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超級(jí)電容器，尤其是涉及一種基于金屬織物的固態(tài)柔性超級(jí)電容器及 其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球人口和經(jīng)濟(jì)的快速增長，人們對能源的需求不斷增加。然而，傳統(tǒng)的化石 燃料是不可持續(xù)的能源，因此，為了獲得可再生能源，例如太陽能、風(fēng)能、潮汐能等，全球科 學(xué)家們付出相當(dāng)大的努力，一直致力于開發(fā)新技術(shù)。當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)之一是這些可再 生能源是間歇性的，且受到自然環(huán)境條件嚴(yán)重制約。而這些可再生資源的區(qū)域分布失衡則 是我們面臨的另一個(gè)主要問題。因而，開發(fā)高效率、穩(wěn)定和環(huán)境友好型的儲(chǔ)能裝置對推進(jìn)可 再生的能源發(fā)展至關(guān)重要。
[0003] 超級(jí)電容器，或稱為電化學(xué)電容器，正在成為一類重要的能量存儲(chǔ)裝置。超級(jí)電容 器作為傳統(tǒng)電容器和電池之間的紐帶，起到了重要而獨(dú)特的地位。相較于傳統(tǒng)的電容器，所 述超級(jí)電容器能量密度高出幾個(gè)數(shù)量。此外，超級(jí)電容器獨(dú)特的電荷存儲(chǔ)機(jī)制，使它們能夠 在短時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)和提供大量電荷。因此，它們比電池能提供更高的功率。超級(jí)電容器在各 種實(shí)際生產(chǎn)中存在潛在應(yīng)用，包括后備電源系統(tǒng)、電動(dòng)車輛和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和工業(yè)能 源管理系統(tǒng)等。
[0004] 為了滿足便攜式電子設(shè)備，如移動(dòng)電話、可佩戴電子設(shè)備和柔性顯示器的快速增 長的需求，發(fā)展高性能、輕質(zhì)、安全的能源設(shè)備是至關(guān)重要的。然而，以前的研宄主要集中在 基于液體超級(jí)電容器，如用水溶液、有機(jī)溶液或離子性液體作為電解質(zhì)。這些超級(jí)電容器 有兩個(gè)主要的缺點(diǎn)限制了它們在便攜式電子設(shè)備中的應(yīng)用。首先，大部分的電解質(zhì)毒性高 和腐蝕性強(qiáng)，所以設(shè)備制造時(shí)通常采用高成本的包裝材料和技術(shù)以避免有可能泄漏的電解 質(zhì)；其次，由于包裝問題，所以很難采用液體電解質(zhì)制造小型的、柔性的超級(jí)電容器器件。近 幾年，固態(tài)柔性超級(jí)電容器已成為一類新的能量儲(chǔ)存裝置并引起極大的關(guān)注。相較于傳統(tǒng) 的超級(jí)電容器，固態(tài)柔性的超級(jí)電容器具有尺寸小、重量低、易處理、可靠性好、操作溫度寬 等優(yōu)點(diǎn)。它們在柔性和可穿戴電子產(chǎn)品的能量儲(chǔ)存裝置中具有巨大的潛力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于金屬織物的固態(tài)柔性超級(jí)電容器及其制備方法 和應(yīng)用。
[0006] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] 所述基于金屬織物的固態(tài)柔性超級(jí)電容器，包括2片相同材料的電極和涂覆于2 片電極之間的電解質(zhì)層；電極的材料為復(fù)合物，該復(fù)合物為金屬織物上電沉積聚3,4_乙撐 二氧噻吩的復(fù)合物，電解質(zhì)層為凝膠狀電解質(zhì)層，電解質(zhì)層的電解質(zhì)材料為聚合物，該聚合 物為聚偏二氟乙烯-co-六氟丙烯/I- 丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽。
[0008] 所述金屬織物的材料為鐵、銅、鋁中的至少一種。
[0009] 所述基于金屬織物的固態(tài)柔性超級(jí)電容器的制備方法，包括以下步驟：
[0010] 1)通過電沉積，在金屬織物上電沉積聚3, 4-乙撐二氧噻吩，得到金屬織物/聚 3, 4-乙撐二氧噻吩復(fù)合物，以此作為電極材料；
[0011] 2)在金屬織物/聚3, 4-乙撐二氧噻吩復(fù)合物的空隙和表面涂布聚偏二氟乙 烯-co-六氟丙烯/I-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽的凝膠狀電解質(zhì)材料，得到帶有電解質(zhì) 的電極；
[0012] 3)將2片由步驟2)得到的帶有電解質(zhì)的電極組裝在一起，得到基于金屬織物的固 態(tài)柔性超級(jí)電容器。
[0013] 在步驟1)中，所述電沉積采用的電聚合溶液按質(zhì)量比的組成如下：
[0014]溶劑： 100
[0015]單體： 0.1 ~5
[0016] 摻雜劑：0.5~10
[0017] 所述溶劑可為乙腈；
[0018] 所述單體可為3, 4-乙撐二氧噻吩；
[0019] 所述摻雜劑可為三水合高氯酸鋰、氯化鋰或聚苯乙烯磺酸鹽。
[0020] 在步驟1)中，所述電沉積通過電聚合時(shí)間的不同，控制聚合物沉積的量，電沉積 的時(shí)間可為400~4000s。
[0021] 在步驟2)中，所述凝膠狀電解質(zhì)為以丙酮為溶劑配制，凝膠狀電解質(zhì)按質(zhì)量比的 組成如下：
[0022] 丙酮： 100
[0023] 聚合物： 10~50
[0024] 離子液體：10~30
[0025] 所述聚合物為聚偏二氟乙烯-co-六氟丙烯。
[0026] 所述離子液體為1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽。
[0027] 所述基于金屬織物的固態(tài)柔性超級(jí)電容器可在制備柔性可穿戴電子器件的儲(chǔ)能 設(shè)備中應(yīng)用。
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明具有如下突出優(yōu)點(diǎn)：
[0029] 本發(fā)明通過掃描電子顯微鏡（SEM)對電極材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，采用電化學(xué)工作站 (CHI660D)分別對電極材料、超級(jí)電容器的電化學(xué)性能進(jìn)行測定。證實(shí)超級(jí)電容器具有很好 的容量保持能力和電化學(xué)性能穩(wěn)定。本發(fā)明制備的基于金屬織物的固態(tài)柔性超級(jí)電容器， 反應(yīng)條件溫和，制備工藝簡單，適合大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。該超級(jí)電容器既具有織物的柔 性，又具備聚3,4_乙撐二氧噻吩的電化學(xué)性能，表現(xiàn)出良好的電化學(xué)特性和較大的電容， 為發(fā)展可柔性和可穿戴電子產(chǎn)品的能量儲(chǔ)存裝置提供了具有普適性的有效途徑，具有重要 的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的金屬織物及在金屬織物沉積聚3, 4-乙撐二氧噻吩的掃 描電子顯微鏡（SEM)圖像。其中圖（a)為金屬織物的SEM圖，圖（b)、（c)、（d)分別為不同 放大倍數(shù)的金屬織物/聚（3, 4-乙撐二氧噻吩）復(fù)合物的SEM圖像。
[0031] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的金屬織物/聚3, 4-乙撐二氧噻吩復(fù)合物電極材料在不同 掃描速率下的循環(huán)伏安曲線。其中曲線a的掃描速率為l〇mV/s，曲線b的掃描速率為25mV/ s，曲線c的掃描速率為50mV/s，曲線d的掃描速率為75mV/s，曲線e的掃描速率為100mV/ s，曲線f的掃描速率為150mV/s。
[0032] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的金屬織物/聚3, 4-乙撐二氧噻吩復(fù)合物電極材料在不 同電流下的恒電流充放電曲線。其中曲線a的電流為1mA，曲線b的電流為2mA，曲線c的 電流為4mA。
[0033] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的金屬織物/聚3, 4-乙撐二氧噻吩復(fù)合物電極材料的交 流阻抗圖。
[0034] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的超級(jí)電容器在不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線。其中曲 線a的掃描速率為10mV/S，曲線b的掃描速率為25mV/s，曲線c的掃描速率為50mV/s，曲線 d的掃描速率為75mV/s，曲線e的掃描速率為100mV/S，曲線f的掃描速率為150mV/s，曲線 g的掃描速率為2000mV/s。
[0035] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例1的超級(jí)電容器在不同電流下的恒電流充放電曲線。其中曲 線a的電流為0. 25mA，曲線b的電流為0. 5mA，曲線c的電流為1mA，曲線d的電流為2mA， 曲線e的電流為4mA。
[0036] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例1的超級(jí)電容器的交流阻抗圖。
[0037] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例1的超級(jí)電容器在不同電流密度下的面積比電容圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 下面給出基于金屬織物的固態(tài)柔性超級(jí)電容器（以下簡稱超級(jí)電容器）的制備方 法的具體實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0039] 實(shí)施例1
[0040] 1.將金屬織物切成lcmX5cm大小的電極，用乙醇、去離子水多次超聲，放置烘箱 干燥待用。
[0041] 2.以乙腈為溶液，配制電聚合溶液，具體配方如下：
[0042]乙腈： 50g
[0043]單體： 0? 5g
[0044] 摻雜劑：5g
[0045] 所述單體為3, 4-乙撐二氧噻吩。
[0046] 所述摻雜劑為聚苯乙烯磺酸鹽。
[0047]3.以丙酮為溶劑，配制凝膠狀電解質(zhì)，具體配方如下：
[0048]丙酮： 50g
[0049]聚合物： 25g
[0050] 離子液體：15g
[0051] 所述聚合物為聚（偏二氟乙烯-CO-六氟丙烯）。
[0052] 所述離子液體為1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽。
[0053] 4.織物電極材料中的聚（3, 4-乙撐二氧噻吩）通過電沉積法制備：以金屬織物 作為工作電極，玻片作為對電極，氯化銀/銀作為參比電極，在恒電流4mA條件下分別聚合 4008、8008、16008、24008、32008，得到五種不同的電極材料，用于實(shí)驗(yàn)。
[0054] 5.超級(jí)電容器的制備：分別在金屬織物/聚（3, 4-乙撐二氧噻吩）復(fù)合物空隙和 表面涂布一層聚（偏二氟乙烯-co-六氟丙烯）/I- 丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽的凝膠狀 電解質(zhì)，然后將兩片涂有電解質(zhì)的織物電極組裝，得到超級(jí)電容器。
[0055] 參見圖1~8,本實(shí)施例1所得超級(jí)電容器用掃描電子顯微鏡（SEM)對電極材料進(jìn) 行結(jié)構(gòu)表征，采用電化學(xué)工作站（CHI660D)分別對電極材料、超級(jí)電容器的電化學(xué)性能進(jìn)