【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于電化學能源，具體涉及一種紙片超級電容器及其制備方法。
技術介紹
1、超級電容器是一類大功率電化學儲能裝置，其能量密度介于二次電池與常規電容器之間。超級電容器按其儲能機理可分為雙電層電容器和贗電容電容器。雙電層電容器通過電極材料和電解質界面上離子的快速吸附/解吸實現電能的存儲和釋放，而贗電容電容器則通過電極材料表面的可逆氧化還原反應來存儲能量。然而，傳統的超級電容器因其基于粉末材料的剛性電極而在使用上具有很多限制，如機械強度有限、能量密度低等。柔性超級電容器是一種基于雙電層電容和贗電容效應儲能的裝置，其工作原理基于電極材料之間的離子遷移和電荷分布，通過雙電層形成電荷存儲和釋放的過程實現能量儲存。同時，贗電容效應也起到增強了電容器的電容量和能量密度。在充電時，正負極電極之間會形成雙電層，存儲電荷；而在放電時，電荷會從電極中釋放出來，輸出能量。因柔性超級電容器具有柔韌性好、重量輕、抗壓性強等優勢，已被考慮用于為下一代電子設備供電。
2、目前，柔性超級電容器面臨的挑戰是如何引入具有偽電容的柔性基材。已在研究的柔性基材可分為金屬基、塑料基、紙基等。金屬基材和塑料基材可以賦予柔性超級電容器優異的力學性能，但存在彎曲性能差、循環穩定性差和與活性物質結合力弱等問題。紙基柔性基材在保證優異力學性能和自支撐性能的同時，其多孔結構還能使電活性物質最大程度參與儲能過程。然而，使用傳統紙基基材通常是將活性材料粘貼到紙基表面，很少利用紙張多孔性的結構優勢。另外，在儲能裝置中，電極通常需要以多層夾心片的形式排列，并且在電極之間需要附
3、為解決上述問題，本專利技術提供一種紙片超級電容器，通過充分利用紙的高度多孔的三維(3d)分層結構，將電極材料與電解質所有組件垂直分布在一張紙的指定區域，充分利用紙片的空隙結構，將活性材料吸收至紙片纖維之間的空隙，以解決現有柔性超級電容器器件尺寸厚、元器件多、靈活性差以及能量密度低等問題。
技術實現思路
1、針對以上問題，本專利技術提供一種紙片超級電容器及其制備方法，通過在紙片內部微觀結構上構建疏水層后，將電極材料與電解質所有組件垂直分布在紙片的指定區域，得到的紙片超級電容器尺寸薄、靈活性高以及能量密度高。
2、本專利技術通過以下技術方案實現：
3、一種紙片超級電容器，以紙片作為超級電容器的支架，在紙片內部微觀結構上構建疏水層后，將凝膠電解質、正極活性材料、負極活性材料、正極集流體和負極集流體所有組件垂直分布紙片的指定區域，得到紙片超級電容器。
4、進一步地，所述正極活性材料、負極活性材料分布的有效面積小于紙片面積，在紙片上的厚度分別為5～10μm、5～10μm；所述正極集流體和負極集流體分別對應分布于正極活性材料、負極活性材料的表面上，且有效面積小于紙片面積。
5、一種如上所述的紙片超級電容器的制備方法，包括以下步驟：
6、(1)構建疏水層：將紙片放在濃度0.1～1.0g/ml的疏水性溶液中浸泡40～60min，取出紙片后進行第一次固化，得到改性后的紙片；所述疏水性溶液采用的原料為聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯六氟丙烯和聚四氟乙烯中的一種或多種；
7、(2)引入凝膠電解質：將改性后的紙片放入凝膠電解質中浸泡，浸泡完成后，取出紙片進行第二次固化，得到紙片凝膠電解質；
8、(3)噴涂活性材料漿料：將正極活性材料漿料通過亞音速噴涂的方式涂在紙片凝膠電解質的一側，完成后進行第三次固化；然后將負極活性材料漿料通過亞音速噴涂的方式涂在紙片凝膠電解質的另一側，同時將正極集流體、負極集流體分別對應噴涂在正極活性材料、負極活性材料的表面，漿料中活性粒子速度180～300m/s，噴涂厚度5～10μm，噴涂完成后進行第四次固化，放在疏水性溶液中塑封后，得到紙片超級電容器。
9、進一步地，步驟(1)中，所述紙片為a4紙、草稿紙、衛生紙和宣紙中的一種或多種；所述第一次固化為在60～100℃下干燥40～60min。
10、進一步地，步驟(2)中，所述凝膠電解質由聚合物、鹽溶液和添加劑按照質量比2～4:1～2:1組成；所述聚合物為聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯腈中的一種或多種；所述鹽溶液采用的原料為六氟磷酸鋰、n，n-二甲基吡咯烷鎓四氟硼酸鹽、雙吡咯烷螺環季銨鹽、硫酸鹽、氫氧化鉀、碳酸鈉和四乙基四氟硼酸銨的一種或多種；所述添加劑為對苯二胺、亞硫酸丙烯酯、2-甲基四氫呋喃、甲酸甲酯和乙基異丁基砜中的一種或多種。
11、進一步地，步驟(2)中，所述改性后的紙片在凝膠電解質中的浸泡時間為100～120min；所述第二次固化為在50～80℃下干燥40～60min。
12、進一步地，步驟(3)中，所述正極活性材料由活性材料a、導電劑和粘結劑按照質量比1～4:0.5～2:1組成；所述活性材料a為鎳鈷錳材料、鎳鈷鋁材料、硬碳材料、鎳錳材料和富鎳錳基材料中的一種或多種；所述導電劑為活性炭、石墨、石墨烯、黑鱗、碳納米管、導電石墨、乙炔黑、科琴黑和生物制基衍生碳中的一種或多種；
13、所述負極活性材料由活性材料b和粘結劑按照質量比8～10:1混合組成；所述活性材料b為活性炭、石墨、石墨烯、硅、硅碳、軟碳、硬碳、黑鱗、碳納米管、導電石墨、乙炔黑、科琴黑和生物制基衍生碳中的一種或多種。
14、進一步地，步驟(3)中，所述正極集流體、負極集流體均由導電劑和粘結劑按照質量比3～6:1組成；所述導電劑為銅漿、銀漿、錫漿、銅銀漿、硬碳、軟碳、中間相炭微球、硅、硅碳和硅氧中的一種或多種。
15、進一步地，所述粘結劑為聚氧化乙烯、聚偏二氟乙烯和甲基纖維素中的一種或多種。
16、進一步地，步驟(3)中，所述第三次固化為在50～80℃下干燥40～60min；所述第四次固化為在80～120℃下干燥100～120min；所述塑封時間為15～20min。
17、本專利技術的紙片超級電容器的制備原理：
18、游離的水分子能分解紙片內部的微觀結構，本專利技術為充分利用紙片中存在的孔隙，在紙片孔隙內引入疏水層，紙片大部分是由纖維素構成的，而纖維素分子鏈上具有很多的羥基基團，而疏水性溶液中的聚合物如聚偏二氟乙烯六氟丙烯等的分子鏈中含有大量c-f鍵，羥基和c-f鍵之間生成氫鍵或范德華力進行緊密結合，起到隔離游離水的作用，防止破壞紙片內部微觀結構。并且借助聚合物表面的c-f鍵通過靜電引力的作用吸引凝膠電解質進入空隙中，由于固化過程中溶劑揮發使得電解質收縮，電解質到紙片表面留有部分空間，將配置好的正負極活性漿料采用亞音速噴涂方式涂在紙片兩側，控制噴涂過程中活性粒子速度和噴涂厚度，之后將正負極集流體材料噴涂在正負極活性材料表面。最后，對紙片超級電容器進行塑封。
19、與現有技術相比，本專利技術的優點及有益效果為：
20、1、本專利技術將超級電容器的所有組件整合到一本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種紙片超級電容器，其特征在于，以紙片作為超級電容器的支架，在紙片內部微觀結構上構建疏水層后，將凝膠電解質、正極活性材料、負極活性材料、正極集流體和負極集流體所有組件垂直分布紙片的指定區域，得到紙片超級電容器。
2.根據權利要求1所述的紙片超級電容器，其特征在于，所述正極活性材料、負極活性材料分布的有效面積小于紙片面積，在紙片上的厚度分別為5～10μm、5～10μm；所述正極集流體和負極集流體分別對應分布于正極活性材料、負極活性材料的表面上，且有效面積小于紙片面積。
3.一種如權利要求1或2所述的紙片超級電容器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
4.根據權利要求3所述的紙片超級電容器的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述紙片為A4紙、草稿紙、衛生紙和宣紙中的一種或多種；所述第一次固化為在60～100℃下干燥40～60min。
5.根據權利要求3所述的紙片超級電容器的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述凝膠電解質由聚合物、鹽溶液和添加劑按照質量比2～4:1～2:1組成；所述聚合物為聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯腈中
6.根據權利要求3所述的紙片超級電容器的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述改性后的紙片在凝膠電解質中的浸泡時間為100～120min；所述第二次固化為在50～80℃下干燥40～60min。
7.根據權利要求3所述的紙片超級電容器的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述正極活性材料由活性材料A、導電劑和粘結劑按照質量比1～4:0.5～2:1組成；所述活性材料A為鎳鈷錳材料、鎳鈷鋁材料、硬碳材料、鎳錳材料和富鎳錳基材料中的一種或多種；所述導電劑為活性炭、石墨、石墨烯、黑鱗、碳納米管、導電石墨、乙炔黑、科琴黑和生物制基衍生碳中的一種或多種；
8.根據權利要求3所述的紙片超級電容器的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述正極集流體、負極集流體均由導電劑和粘結劑按照質量比3～6:1組成；所述導電劑為銅漿、銀漿、錫漿、銅銀漿、硬碳、軟碳、中間相炭微球、硅、硅碳和硅氧中的一種或多種。
9.根據權利要求7或8所述的紙片超級電容器的制備方法，其特征在于，所述粘結劑為聚氧化乙烯、聚偏二氟乙烯和甲基纖維素中的一種或多種。
10.根據權利要求3所述的紙片超級電容器的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述第三次固化為在50～80℃下干燥40～60min；所述第四次固化為在80～120℃下干燥100～120min；所述塑封時間為15～20min。
...【技術特征摘要】
1.一種紙片超級電容器，其特征在于，以紙片作為超級電容器的支架，在紙片內部微觀結構上構建疏水層后，將凝膠電解質、正極活性材料、負極活性材料、正極集流體和負極集流體所有組件垂直分布紙片的指定區域，得到紙片超級電容器。
2.根據權利要求1所述的紙片超級電容器，其特征在于，所述正極活性材料、負極活性材料分布的有效面積小于紙片面積，在紙片上的厚度分別為5～10μm、5～10μm；所述正極集流體和負極集流體分別對應分布于正極活性材料、負極活性材料的表面上，且有效面積小于紙片面積。
3.一種如權利要求1或2所述的紙片超級電容器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
4.根據權利要求3所述的紙片超級電容器的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述紙片為a4紙、草稿紙、衛生紙和宣紙中的一種或多種；所述第一次固化為在60～100℃下干燥40～60min。
5.根據權利要求3所述的紙片超級電容器的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述凝膠電解質由聚合物、鹽溶液和添加劑按照質量比2～4:1～2:1組成；所述聚合物為聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯腈中的一種或多種；所述鹽溶液采用的原料為六氟磷酸鋰、n，n-二甲基吡咯烷鎓四氟硼酸鹽、雙吡咯烷螺環季銨鹽、硫酸鹽、氫氧化鉀、碳酸鈉和四乙基四氟硼酸銨的一種或多種；所述添加劑為對苯二胺、亞硫酸丙烯酯、2-甲基四氫呋喃、甲酸甲酯和乙基異丁基砜...
【專利技術屬性】
技術研發人員：朱歸勝，陳江超，徐華蕊，吳海寧，趙昀云，蔣坤朋，梁洪華，雷灶輝，廖明杰，龍神峰，
申請(專利權)人：桂林電子科技大學，
類型：發明
國別省市：
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