一種柔性微型超級電容器制造技術

本發明專利技術提供一種柔性微型超級電容器，以聚苯胺—二氧化錳電極材料(PANI/MnO2)作為正極材料和負極材料，電解質溶液采用聚乙烯醇/硫酸(PVA/H

A flexible micro super capacitor

【技術實現步驟摘要】
一種柔性微型超級電容器
本專利技術涉及電化學儲能
，更具體地說涉及一種柔性微型超級電容器。
技術介紹
隨著電子產品的快速發展，環境問題日益嚴重，并引起了全世界越來越多的關注。因此，開發清潔能源設備勢在必行。其中，超級電容器由于其高功率密度，快速充放電性能和長循環壽命而成為極具前景的儲能裝置。目前，根據電荷儲存方式的不同，超級電容器一般可以分為雙電層電容器與贗電容器兩種。其中雙電層電容器主要包括正、負極、電解液以及隔膜。雙電層電容器在進行充電時，在外加電源作用下兩電極分別帶上正電與負電，從而吸引與電極所接觸的電解液中與電極所帶電荷符號相反的離子，形成雙電層；在電容器進行放電時，電子的流向從負極經過負載到正極，電極表面的電勢逐漸變為等值，從而使在與電極接觸的界面處的電解液中的正負帶電電荷釋放回到電解液中。因此雙電層電容器并沒有發生電極與電解液之間的離子交換，依靠的是電荷的物理吸附，這種機理被稱為雙電層電容機理。在實際應用中雙電層電容器的電極材料主要采用具有較大比表面積的碳材料。贗電容器又稱為法拉第準電容器，其原理可簡單概括為活性物質在電極材料的表面發生可逆或者不可逆的氧化還原反應、化學的吸/脫附反應與欠電位沉積反應。當對贗電容器進行充電時，電解液離子與電極上的活性材料將會發生快速的氧化還原反應，放電時離子又重新回到無序狀態。與雙電層電容器原理相比較，贗電容器可同時發生電荷的物理遷移與電荷的化學遷移，而且電荷的存儲不僅發生在活性物質的表面，還發生在整個材料的體相中。因此活性物質的量以及材料的比表面積均對性能產生重要的影響。贗電容的存儲機理不僅發生在電極材料的表面而且發生在材料的內部，因此基于氧化還原反應的贗電容材料相對于雙電層電容的碳材料來說具有更高的理論容量，有望達到更高的能量密度，從而克服雙電層電容器的缺陷。
技術實現思路
本專利技術克服了現有技術中的不足，提供了一種柔性微型超級電容器及其制備方法和應用，本專利技術制備的柔性微型超級電容器，其工作電壓可達到0-0.8V，能夠在穩定工作中保持高的能量密度和功率密度，以及良好的倍率性能和循環穩定性。本專利技術的目的通過下述技術方案予以實現。一種柔性微型超級電容器，以聚苯胺—二氧化錳電極材料(PANI/MnO2)作為正極材料和負極材料，電解質溶液采用聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)水凝膠的水溶液，聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)水凝膠溶液的濃度為1.0-2.5M，其中，按照下述步驟進行制備：步驟1，在冰水浴的條件下，將四苯基卟啉磺酸鹽(TPPS)和苯胺溶解于水中得到混合溶液，在攪拌的條件下，將過硫酸銨(APS)水溶液加入上述混合溶液中，進行聚合反應，聚合時間為20-60s，清洗干燥后，最終得到聚苯胺(PANI)凝膠，其中，四苯基卟啉磺酸鹽(TPPS)、苯胺和過硫酸銨(APS)的質量比為1:(40-60):(40-60)，苯胺的濃度為0.1-0.5mol/L；步驟2，將步驟1得到的聚苯胺(PANI)凝膠分散到高錳酸鉀(KMnO4)水溶液中，調節上述懸浮液的PH值為1-2，并將上述懸浮液置于100-150℃下，水熱處理10-30min，將沉淀物清洗干燥后，得到聚苯胺—二氧化錳(PANI/MnO2)復合材料，其中，高錳酸鉀(KMnO4)水溶液的濃度為0.005-0.04mol/L；步驟3，將聚苯胺—二氧化錳(PANI/MnO2)復合材料、乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)進行混合，聚苯胺—二氧化錳(PANI/MnO2)復合材料、乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)的質量比為(5-10)：1：1，優選(6—8):1:1，再加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)以形成漿料，然后將上述漿料涂覆通過3D打印得到的叉指電極上，將涂覆有漿料的叉指電極整體壓印到碳紙上，以碳紙作為集流體，最后在叉指電極的空隙中添加聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)水凝膠的水溶液，即制備得到柔性微型超級電容器。電解質溶液采用聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)水凝膠的水溶液，聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)水凝膠的濃度為1.2-2.0M，聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)水凝膠的水溶液的制備：在70-80℃的熱水中加入聚乙烯醇(PVA)，然后攪拌24-36h后，再向其中加入硫酸，繼續攪拌至出現凝膠，即得到聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)水凝膠的水溶液。在步驟1中，四苯基卟啉磺酸鹽(TPPS)、苯胺和過硫酸銨(APS)的質量比為1:(40-50):(40-50)，苯胺的濃度為0.2-0.4mol/L，聚合時間為25-35s，聚苯胺(PANI)凝膠浸入蒸餾水中22-30h以除去過量的APS，將聚苯胺(PANI)凝膠在50-70℃真空下進行干燥，最終得到聚苯胺(PANI)凝膠。在步驟2中，高錳酸鉀(KMnO4)水溶液的濃度為0.01-0.03mol/L，調節PH的溶液采用HCl溶液，水熱處理的溫度為110-130℃，水熱處理的時間為15-25min，將所得沉淀物用蒸餾水洗滌數次并在50-70℃下干燥，最終得到聚苯胺—二氧化錳(PANI/MnO2)復合材料。在步驟3中，聚苯胺—二氧化錳(PANI/MnO2)復合材料、乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)的質量比為(6—8):1:1，所述叉指電極采用聚乳酸材料。本專利技術的有益效果為：本專利技術制備的柔性微型超級電容器，其工作電壓可達到0-0.8V，能夠在穩定工作中保持高的能量密度和功率密度，以及良好的倍率性能和循環穩定性。附圖說明圖1是制備實驗所需的柔性微型超級電容器的制備過程；圖2是實施例1制備得到的柔性微型超級電容器在不同工作電壓范圍下進行測試的循環伏安曲線圖；圖3是實施例1制備得到的柔性微型超級電容器在不同電流密度下的充放電曲線圖；圖4是實施例1制備得到的柔性微型超級電容器的元素分布測試；圖5是實施例1制備得到的柔性微型超級電容器的FT-IR紅外譜圖測試分析。具體實施方式下面通過具體的實施例對本專利技術的技術方案作進一步的說明。實施例1(1)PANI/MnO2復合材料的制備將0.015mmolTPPS和0.6mmol苯胺溶于冰水浴中的2mL蒸餾水中；然后將1mL，0.6mol/L的APS水溶液別加入上述混合物中，以在磁力攪拌下引發聚合30s；然后進行反應直至獲得帶綠色的黑色PANI凝膠；反應后，將PANI凝膠浸入蒸餾水中24h以除去過量的APS；將產物在60℃的真空中干燥，得到PANI凝膠。將凝膠分散在30mL，0.02mol/L的KMnO4水溶液中；然后加入一定量的HCl溶液，將懸浮液的pH調節至1；接著，將樣品在120℃水熱處理20min，得到PANI/MnO2復合物。最后，將所得產物用蒸餾水洗滌數次，然后在60℃下干燥。(2)柔性微型超級電容器的制備將上述聚苯胺—二氧化錳(PANI/MnO2)復合材料、乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)進行混合，加入N-甲基吡咯烷酮(本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種柔性微型超級電容器，其特征在于：以聚苯胺—二氧化錳電極材料(PANI/MnO2)作為正極材料和負極材料，電解質溶液采用聚乙烯醇/硫酸(PVA/H

【技術特征摘要】
1.一種柔性微型超級電容器，其特征在于：以聚苯胺—二氧化錳電極材料(PANI/MnO2)作為正極材料和負極材料，電解質溶液采用聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)水凝膠的水溶液，聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)水凝膠溶液的濃度為1.0-2.5M，其中，按照下述步驟進行制備：
步驟1，在冰水浴的條件下，將四苯基卟啉磺酸鹽(TPPS)和苯胺溶解于水中得到混合溶液，在攪拌的條件下，將過硫酸銨(APS)水溶液加入上述混合溶液中，進行聚合反應，聚合時間為20-60s，清洗干燥后，最終得到聚苯胺(PANI)凝膠，其中，四苯基卟啉磺酸鹽(TPPS)、苯胺和過硫酸銨(APS)的質量比為1:(40-60):(40-60)，苯胺的濃度為0.1-0.5mol/L；
步驟2，將步驟1得到的聚苯胺(PANI)凝膠分散到高錳酸鉀(KMnO4)水溶液中，調節上述懸浮液的PH值為1-2，并將上述懸浮液置于100-150℃下，水熱處理10-30min，將沉淀物清洗干燥后，得到聚苯胺—二氧化錳(PANI/MnO2)復合材料，其中，高錳酸鉀(KMnO4)水溶液的濃度為0.005-0.04mol/L；
步驟3，將聚苯胺—二氧化錳(PANI/MnO2)復合材料、乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)進行混合，聚苯胺—二氧化錳(PANI/MnO2)復合材料、乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)的質量比為(5-10)：1：1，優選(6—8):1:1，再加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)以形成漿料，然后將上述漿料涂覆通過3D打印得到的叉指電極上，將涂覆有漿料的叉指電極整體壓印到碳紙上，以碳紙作為集流體，最后在叉指電極的空隙中添加聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)水凝膠的水溶液，即制備得到柔性微型超級電容器。


2.根據權利要求1所述的一種柔性微型超級電容器，其特征在于：電解質溶液采用聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)水凝膠的水溶液，聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)水凝膠的濃度為1.2-2.0M，聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)水凝膠的水溶液的制備：在70-80℃的熱水中加入聚乙烯醇(PVA)，然后攪拌24-36h后，再向其中加入硫酸，繼續攪拌至出現凝膠，即得到聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)水凝膠的水溶液。


3.根據權利要...

【專利技術屬性】
技術研發人員：許鑫華，張昊，賈麗敏，張茜，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：天津;12