CN101857191A - 一种柔性换能/储能纳米器件及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种柔性换能/储能纳米器件，属于纳米材料技术以及新能源技术领域，是以纸纤维网络为模板或骨架，在其上构建换能/储能纳米器件电极，再组装成器件，如太阳能电池、二次电池、电化学超级电容器等。制法是：先以纸纤维网络为模板或骨架，在其上构建具有相同结构的金属、碳、聚合物导电网络；以第一步制备的导电网络为基板，在其上构建换能/储能纳米器件各电极；然后，将凝胶或固态电解质涂覆于纸纤维网络中，形成以纸纤维为多孔隔膜的电解质层；最后，将各纳米器件两电极及电解质层按照“三明治”式结构组装并封装，电解质层在中间。由于纸纤维网络呈三维多孔结构，以其为模板或骨架可制备出柔性三维换能/储能纳米器件，降低生产成本。

Description

一种柔性换能/储能纳米器件及制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料技术以及新能源技术领域，涉及一种柔性换能/储能纳米器件及制备方法，是关于以纸纤维网络为模板或骨架，在其上构建换能纳米器件如太阳能电池或储能纳米器件如二次电池、电化学超级电容器等。
背景技术
近年来，随着电子技术的发展，大量便携式电子产品的出现要求有更高性能的便携式换能/储能产品为其提供即时充电及长效电源，为开拓这一广阔市场，要求换能/储能产品柔性、轻质、高效化。随着纳米技术的发展，相继出现了基于纳米材料的换能/储能纳米器件，如染料敏化纳米晶太阳能电池就是二十世纪九十代初开发出的一种基于纳米技术的新型太阳能电池，其最大特点就是利用高比表面积的纳米晶半导体氧化物作为器件的主要结构，经染料敏化后吸收太阳光，并承担光生电子传输通道，这种结构太阳能电池最高光电转换效率已经达到11％。与此同时，纳米技术在二次电池、电化学超级电容器等储能器件上的应用也显示出优越的性能。目前，这些换能/储能器件的柔性化是热点研究课题，其不仅可实现器件的柔性、轻质，而且可采用滚动式连续生产方式，提高生产效率，降低生产成本。
发明内容
本发明目的在于提供一种柔性换能/储能纳米器件及制备方法，其核心部分是利用纸纤维三维网络结构来构建换能/储能纳米器件各电极，经组装并封装后即可获得柔性器件，为低廉的生产这类换能/储能纳米器件提供条件。
为了实现上述目的，本发明的解决方案是：
一种柔性换能/储能纳米器件，以纸纤维网络为模板或骨架，在其上构建换能/储能纳米器件电极，再组装成器件，其中换能纳米器件为太阳能电池，包括染料敏化纳米晶太阳能电池、聚合物太阳能电池和有机小分子太阳能电池等；储能纳米器件为二次电池或电容器，包括聚合物二次电池、锂离子二次电池和电化学超级电容器等。
所述的以纸纤维网络为模板或骨架，具有三维网络结构，以其为模板或骨架，构建具有相同结构的金属(银、铜、镍、钛、铝、锌、锡、铁、钴、铂等)、碳、聚合物导电网络。
所述的换能纳米器件中染料敏化纳米晶太阳能电池，以导电网络为基板，在其上制备或涂覆纳米半导体氧化物(TiO2、ZnO、SnO2等)并加以敏化(有机染料、天然染料、量子点等)而形成光电极；在其上制备电解质催化剂(铂、碳、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚吡啶、聚对苯撑等)而形成对电极；在纸纤维网络上直接涂覆凝胶或固态电解质而形成含隔膜的电解质层；将上述光电极、电解质层及对电极按次序组装并封装后即可获得柔性染料敏化纳米晶太阳能电池。
所述的换能纳米器件中聚合物太阳能电池，以导电网络为基板，在其上涂覆给体-受体体系形成光电极，其中给体可为C60、TiO2、ZnO、SnO2等N-型纳米颗粒中的一种或多种，受体可为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对苯撑及上述聚合物衍生物等P-型导电聚合物中的一种或多种，以导电网络为对电极；将上述两电极组装并封装后即可获得柔性聚合物太阳能电池。
所述的换能纳米器件中有机小分子太阳能电池，以导电网络为基板，在其上涂覆给体-受体体系形成光电极，其中给体可为二萘嵌苯、C60、TiO2、ZnO、SnO2等N-型纳米颗粒中的一种或多种，受体可为酞菁、卟啉、菁等P-型有机小分子中的一种或多种，以导电网络为对电极；将上述两电极组装并封装后即可获得柔性有机小太阳能电池。
所述的储能纳米器件中聚合物二次电池，以导电网络为基板，在其上制备或涂覆导电聚合物氧化态电极；再在另一基板上制备或涂覆导电聚合物还原态电极；在纸纤维网络上直接涂覆凝胶或固态电解质而形成含隔膜的电解质层；将氧化态电极、电解质层及还原态电极组装并封装后即可获得柔性聚合物二次电池。其中导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对苯撑、聚吡啶及上述聚合物衍生物等一种或多种。
所述的储能纳米器件中锂离子二次电池，以导电网络为基板，在其上制备或涂覆电池正极纳米材料(LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、V2O5等及其衍生物)；再在另一基板上制备或涂覆电池负极纳米材料(石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、碳纤维、碳纳米管、锂-硅合金、锂-锡合金等)；在纸纤维网络上直接涂覆凝胶或固态电解质而形成含隔膜的电解质层；将电池正极、电解质层及负极组装并封装后即可获得柔性锂离子二次电池。
所述的储能纳米器件中电化学超级电容器，以导电网络为基板，在其上制备或涂覆电化学超级电容器电极材料(活性碳粉末、活性碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、碳黑、氧化钌、氧化镍、氧化钴、氧化锰、氧化铁、氧化钼、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对苯撑等)，将电解质填充于两电极中，封装后即可获得柔性电化学超级电容器。
上述的各换能/储能纳米器件具有相同的结构，为两电极间填充电解质的“三明治”式结构，本发明各器件的制备可以按照下述相同的技术方案实现：
第一步，以纸纤维网络为模板或骨架，在其上构建具有相同结构的金属(银、铜、镍、钛、铝、锌、锡、铁、钴、铂等)、碳、聚合物导电网络；
第二步，以第一步制备的导电网络为导电基板，在其上构建换能/储能纳米器件各电极；
第三步，将凝胶或固态电解质涂覆于纸纤维网络中，形成以纸纤维为多孔隔膜的电解质层；
第四步，将各纳米器件两电极及电解质层按照“三明治”式结构组装并封装，其中电解质层在中间。
采用上述方案后，本发明针对器件柔性化问题，利用纸纤维网络为模板或骨架，在其上构建换能纳米器件如太阳能电池或储能纳米器件如二次电池、电化学超级电容器等。纸是以自然界光合作用产物纤维素为原料，是一种可再生的绿色产品，并被人类大量利用，将其引入到换能/储能器件中，具有重要生态及经济意义。由于纸纤维网络呈三维多孔结构，以其为模板或骨架可制备出轻质柔性三维换能/储能纳米器件，可降低生产成本。
具体实施方式
本发明揭示的一种柔性换能/储能纳米器件，以纸纤维网络为模板或骨架，在其上构建换能/储能纳米器件电极，再组装成器件。
具体制备方法是：
第一步，将纸纤维浸入含各金属(银、铜、镍、钛、铝、锌、锡、铁、钴、铂等)离子的水溶液中，在氮气氛下用氢气将其还原为金属，或直接用强氧化剂如硼氢化物、水合肼等将其还原为金属，或用金属置换反应将其还原为金属，以形成具有纸纤维结构的三维导电网络。
第二步，将配制好的纳米器件各电极材料涂覆在或原位生成于由第一步制备的三维导电网络上，形成电极。
第三步，将凝胶或固态电解质涂覆于纸纤维网络中，形成以纸纤维为多孔隔膜的电解质层。
第四步，将各纳米器件两电极及电解质层按照“三明治”式结构组装并封装，其中电解质层在中间。
其中换能纳米器件为太阳能电池，包括染料敏化纳米晶太阳能电池、聚合物太阳能电池和有机小分子太阳能电池等；储能纳米器件为二次电池或电容器，包括聚合物二次电池、锂离子二次电池和电化学超级电容器等。
对于染料敏化纳米晶太阳能电池而言，是以导电网络为基板，在其上制备或涂覆纳米半导体氧化物(TiO2、ZnO、SnO2等)并加以敏化(有机染料、天然染料、量子点等)形成光电极；在其上制备电解质催化剂(铂、碳、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚吡啶、聚对苯撑等)形成对电极；在纸纤维网络上直接涂覆凝胶或固态电解质而形成含隔膜的电解质层；将上述光电极、电解质层及对电极按次序组装并封装后即可获得柔性染料敏化纳米晶太阳能电池。
对于聚合物太阳能电池而言，是以导电网络为基板，在其上涂覆给体-受体体系形成光电极，其中给体可为C60、TiO2、ZnO、SnO2等N-型纳米颗粒中的一种或多种，受体可为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对苯撑及上述聚合物衍生物等P-型导电聚合物中的一种或多种，以导电网络为对电极，将上述两电极组装并封装后即可获得柔性聚合物太阳能电池。
对于有机小分子太阳能电池而言，是以导电网络为基板，在其上涂覆给体-受体体系形成光电极，其中给体可为二萘嵌苯、C60、TiO2、ZnO、SnO2等N-型纳米颗粒中的一种或多种，受体可为酞菁、卟啉、菁等P-型有机小分子中的一种或多种，以导电网络为对电极，将上述两电极组装并封装后即可获得柔性有机小太阳能电池。
对于聚合物二次电池而言，是导电网络为基板，在其上制备或涂覆导电聚合物氧化态电极；再在另一基板上制备或涂覆导电聚合物还原态电极；在纸纤维网络上直接涂覆凝胶或固态电解质而形成含隔膜的电解质层；将氧化态电极、电解质层及还原态电极组装并封装后即可获得柔性聚合物二次电池。其中导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对苯撑、聚吡啶及上述聚合物衍生物等一种或多种。
对于锂离子二次电池而言，是以导电网络为基板，在其上制备或涂覆电池正极纳米材料(LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、V2O5等及其衍生物)；再在另一基板上制备或涂覆电池负极纳米材料(石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、碳纤维、碳纳米管、锂-硅合金、锂-锡合金等)；在纸纤维网络上直接涂覆凝胶或固态电解质而形成含隔膜的电解质层；将电池正极、电解质层及负极组装并封装后即可获得柔性锂离子二次电池。
对于电化学超级电容器而言，是以导电网络为基板，在其上制备或涂覆电化学超级电容器电极材料(活性碳粉末、活性碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、碳黑、氧化钌、氧化镍、氧化钴、氧化锰、氧化铁、氧化钼、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对苯撑等)，将电解质填充于两电极中，封装后即可获得柔性电化学超级电容器。

Claims (9)

1.一种柔性换能/储能纳米器件，其特征在于：以纸纤维网络为模板或骨架，在其上构建换能/储能纳米器件电极，再组装成器件，其中换能纳米器件为太阳能电池，包括染料敏化太阳能电池、聚合物太阳能电池和有机小分子太阳能电池；储能纳米器件为二次电池或电容器，包括聚合物二次电池、锂离子二次电池和电化学超级电容器。
2.如权利要求1所述的一种柔性换能/储能纳米器件，其特征在于：所述的以纸纤维网络为模板或骨架，具有三维网络结构，以其为模板或骨架，构建具有相同结构的金属、碳、聚合物导电网络，其中金属指银、铜、镍、钛、铝、锌、锡、铁、钴或铂。
3.如权利要求2所述的一种柔性换能/储能纳米器件，其特征在于：所述的换能纳米器件中染料敏化纳米晶太阳能电池，以导电网络为基板，在其上制备或涂覆纳米半导体氧化物并加以敏化形成光电极；在其上制备电解质催化剂而形成对电极；在纸纤维网络上直接涂覆凝胶或固态电解质而形成含隔膜的电解质层；将上述光电极、电解质层和对电极按次序组装并封装后即可获得柔性染料敏化纳米晶太阳能电池。
4.如权利要求2所述的一种柔性换能/储能纳米器件，其特征在于：所述的换能纳米器件中聚合物太阳能电池，以导电网络为基板，在其上涂覆给体-受体体系形成光电极，其中给体为C60、TiO2、ZnO、SnO2等N-型纳米颗粒中的一种或多种，受体为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对苯撑及上述聚合物衍生物等P-型导电聚合物中的一种或多种，以导电网络为对电极，将上述两电极组装并封装后即可获得柔性聚合物太阳能电池。
5.如权利要求2所述的一种柔性换能/储能纳米器件，其特征在于：所述的换能纳米器件中有机小分子太阳能电池，以导电网络为基板，在其上涂覆给体-受体体系形成光电极，其中给体为二萘嵌苯、C60、TiO2、ZnO、SnO2等N-型纳米颗粒中的一种或多种，受体为酞菁、卟啉、菁等P-型有机小分子中的一种或多种，以导电网络为对电极；将上述两电极组装并封装后即可获得柔性有机小分子太阳能电池。
6.如权利要求2所述的一种柔性换能/储能纳米器件，其特征在于：所述的储能纳米器件中聚合物二次电池，以导电网络为基板，在其上制备或涂覆导电聚合物氧化态电极，在另一基板上制备或涂覆导电聚合物还原态电极；在纸纤维网络上直接涂覆凝胶或固态电解质而形成含隔膜的电解质层；将氧化态电极、电解质层及还原态电极组装并封装后即可获得柔性聚合物二次电池，其中导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对苯撑、聚吡啶及上述聚合物衍生物等一种或多种。
7.如权利要求2所述的一种柔性换能/储能纳米器件，其特征在于：所述的储能纳米器件中锂离子二次电池，以导电网络为基板，在其上制备或涂覆电池正极纳米材料；再在另一基板上制备或涂覆电池负极纳米材料；在纸纤维网络上直接涂覆凝胶或固态电解质而形成含隔膜的电解质层；将电池正极、电解质层及负极组装并封装后即可获得柔性锂离子二次电池。
8.如权利要求2所述的一种柔性换能/储能纳米器件，其特征在于：所述的储能纳米器件中电化学超级电容器，以导电网络为基板，在其上制备或涂覆电化学超级电容器电极材料，将电解质填充于两电极中，封装后即可获得柔性电化学超级电容器。
9.如权利要求1所述的一种柔性换能/储能纳米器件，其特征在于：各器件的制备步骤是：
第一步，以纸纤维网络为模板或骨架，在其上构建具有相同结构的金属、碳、聚合物导电网络；
第二步，以第一步制备的导电网络为基板，在其上构建换能/储能纳米器件各电极；
第三步，将凝胶或固态电解质涂覆于纸纤维网络中，形成以纸纤维为多孔隔膜的电解质层；
第四步，将各纳米器件两电极及电解质层按照“三明治”式结构组装并封装，其中电解质层在中间。
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