CN103337381A

CN103337381A - 一种制造柔性电极的方法

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Publication number: CN103337381A
Application number: CN2013102794612A
Authority: CN
Inventors: 徐建华; 杨文耀; 张学政; 杨亚杰
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2013-10-02

Abstract

本发明实施例公开了一种制造柔性电极的方法，包括：将高氯酸盐和3,4-乙撑二氧噻吩单体溶于乙腈溶液中，获得聚合电解液；用石墨烯纸制作基片；将基片浸入聚合电解液中作为工作电极进行电化学聚合处理，在基片上形成聚氧噻吩薄膜电极层；将基片清洗并干燥，获得柔性电极。本发明的实施例的方法中，利用柔性石墨烯纸的重量轻，强度好，硬度高等特点，作为超级电容器电极基底，再在石墨烯纸上电化学聚合聚噻吩电极，形成双电层/赝电容互补的石墨烯纸的导电聚噻吩柔性电极，该柔性电极柔性好，比容量高、质量轻，非常适合制成各类组装电动车用的超级电容器。

Description

一种制造柔性电极的方法

技术领域

本发明涉及电子材料技术领域，尤其是涉及一种制造柔性电极的方法。

背景技术

现代大都市中交通主要是通过燃烧石油等资源来实现动力提供，不可避免的带来尾气对环境的污染越来越严重，同时石油是不可再生资源，据不完全估计，地球上现存的石油存量只能供人类再使用三四十年，因此迫切需要有一种可再生的能源来代替汽油成为主要驱动能源。

电动车已经进入了人们的视线，其无污染，能耗低，具有广阔的应用前景。但是现阶段电动车采用的驱动能源为铅酸电池或锂离子电池，不能满足电动车高的启动速度需要的高功率，超级电容器的研究被逐渐纳入日程，欧美日各国都加大了研究力度。

超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的器件，兼有电池的大能量密度和电容的高功率密度等特点。现在超级电容器的研究主要集中在扣式及卷绕式两种超级电容器的封装方式，前者将活性材料压制在集电极上，压片成型，再按扣式电容器组装；后者将活性材料涂布在铝箔上，经过烘干成型，再卷绕组装。前者活性材料使用量少，容量低，所存储能量低，不适用于电动车；而后者容量较大，但是体积大，且需要大量并联才能满足电动车能量需求，照成重量大，不利于电动车的运行的问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种制造柔性好、比容量高、质量轻、适合制成各类组装电动车用的超级电容器的柔性电极的方法。

本发明公开的技术方案包括：

提供了一种制造柔性电极的方法，其特征在于，包括：将高氯酸盐和3,4-乙撑二氧噻吩单体溶于乙腈中，获得聚合电解液；用石墨烯纸制作基片；将所述基片浸入所述聚合电解液中作为工作电极并通电进行电化学聚合处理，在所述基片上电化学聚合形成聚氧噻吩薄膜电极层；将进行了电化学聚合处理后的所述基片清洗并干燥，获得柔性电极。

进一步地，所述聚合电解液中，所述高氯酸盐的摩尔浓度为0.1~0.5摩尔/升，所述3,4-乙撑二氧噻吩单体的摩尔浓度为0.2~0.3摩尔/升。

进一步地，所述用石墨烯纸制作基片包括：将所述石墨烯纸裁剪成宽为20~30毫米、长为60~300毫米的长方形形状的基片；将所述基片在丙酮中超声清洗1至2小时；将所述基片在去离子水中超声清洗1至2小时；用氮气吹干所述基片。

进一步地，所述电化学处理包括：将所述基片浸入所述聚合电解液中作为工作电极，铂丝或铂片为对电极，银/氯化银为参比电极，在聚合电位或聚合电流下进行聚合反应，并循环预定次数。

进一步地，使用计时电位聚合法进行所述聚合反应，其中所述聚合电位设定为从0伏升至1伏，所述聚合电流的聚合电流密度为3毫安/平方厘米至8毫安/平方厘米，所述预定次数为20至100次。

进一步地，使用循环伏安法进行所述聚合反应，其中所述聚合电位为-0.2伏至1伏，扫描速度为10毫伏/秒~100毫伏/秒，所述预定次数为50至150次。

进一步地，所述将进行了电化学聚合处理后的所述基片清洗并干燥包括：将所述基片用无水乙醇冲洗2至5次，并在60至80摄氏度下真空烘干10至12小时。

本发明的实施例的方法中，利用柔性石墨烯纸的重量轻，强度好，硬度高等特点，作为超级电容器电极基底，再在石墨烯纸上电化学聚合聚噻吩电极，形成双电层/赝电容互补的石墨烯纸的导电聚噻吩柔性电极，该柔性电极柔性好，比容量高、质量轻，非常适合制成各类组装电动车用的超级电容器。

附图说明

图1是本发明一个实施例的制造柔性电极的方法的流程示意图。

图2是表示根据本发明的方法的实例制造的样品的参数的图。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的实施例的制造柔性电极的方法的具体步骤。

如图1所示，本发明的实施例中，一种制造柔性电极的方法包括步骤10、步骤12、步骤16和步骤18。

步骤10：获得聚合电解液。

本发明的实施例的方法中，首先将高氯酸盐和3,4-乙撑二氧噻吩单体溶于乙腈中，获得聚合电解液。

本发明的实施例中，用于形成聚合电解液的高氯酸盐和3,4-乙撑二氧噻吩单体的相对数量可以按照一定的比例。例如，一个实施例中，聚合电解液中高氯酸盐的摩尔浓度可以为0.1~0.5摩尔/升，3,4-乙撑二氧噻吩单体的摩尔浓度可以为0.2~0.3摩尔/升。

本发明的实施例中，这里的高氯酸盐可以是任何适合的高氯酸盐，比如高氯酸钾等等。

步骤12：用石墨烯纸制作基片。

本发明的实施例的方法中，在步骤12，可以用石墨烯纸制作基片。

例如，一个实施例中，用石墨烯纸制作基片可以包括：

将石墨烯纸裁剪成一定尺寸的基片，例如，可以将石墨烯纸裁剪成宽为20~30毫米、长为60~300毫米的长方形形状的基片；

将裁剪后的基片在丙酮中超声清洗1至2小时；

将该基片在去离子水中超声清洗1至2小时；

用氮气吹干该基片。

这样，即获得了所需要的基片。

这里，本发明的实施例中，“超声清洗”是指将基片放置在清洗液（例如，上述的丙酮或去离子水）中后用超声波照射，从而实现对基片的清洗。

步骤12中，用石墨烯纸制作基片，该基片在后续步骤中将作为柔性电极的基底。石墨烯纸重量轻、强度好、硬度高，用其作为柔性电极的基底，可以充分利用石墨烯纸的这些特点，获得性能良好的电容器。

本发明的实施例中，步骤10和步骤12的顺序先后没有限制。

步骤16：电化学聚合处理。

获得了聚合电解液和基片之后，本发明的实施例中，使基片在该聚合电解液中进行电化学聚合处理。

例如，可以将基片浸入聚合电解液中，将该基片作为工作电极，通电进行电化学聚合，从而在基片上电化学聚合形成聚氧噻吩薄膜电极层。

本发明的实施例中，这里的电学处理可以包括：在电解槽中装入聚合电解液，将基片浸入聚合电解液中作为工作电极，铂丝或铂片为对电极，银/氯化银为参比电极，然后在电解槽中按照特定的聚合电位或聚合电流进行聚合反应并循环预定次数，在石墨烯纸上形成聚噻吩层。

本发明的实施例中，这里进行聚合反应的方法可以包含计时电位聚合法和循环伏安聚合法。

这里，当使用计时电位聚合法时，计时电位聚合法的电位可以设定为从0V升至1V，聚合电流密度可以为3毫安/平方厘米（mA/cm²）至8毫安/平方厘米（mA/cm²），预定次数为20至100次。

当使用循环伏安法时，循环伏安法的聚合电位可以为-0.2伏至1伏，扫描速度可以为10毫伏/秒（mv/s）~100毫伏/秒（mv/s）, 预定次数可以为50至150次。

这里，前述的银/氯化银参比电极是本领域内熟知的，其由覆盖着氯化银的金属银浸渍在氯化钾或盐酸溶液中组成。

本发明的实施例中，通过将基片浸入聚合电解液中作为工作电极并通入恒定的电流或扫描速度，在该电流或电压以及高氯酸盐的作用下，聚合电解液中的3,4-乙撑二氧噻吩单体在基片的表面上发生聚合并沉积，从而在基片表面形成聚氧噻吩薄膜电极层。该形成了聚氧噻吩薄膜电极层的基片即可作为所需要的柔性电极。

步骤18：清洗并干燥。

获得了形成了聚氧噻吩薄膜电极层的基片（即进行了电化学聚合处理）之后，将该基片进行清洗并干燥，即可获得所需要的柔性电极。

例如，一个实施例中，将进行了电化学聚合处理后的基片清洗并干燥包括：将该基片用无水乙醇冲洗2至5次，并在60至80摄氏度下真空烘干10至12小时。

经过上述步骤的处理，即获得了所需要的柔性电极。

下面以一些具体的实例为例说明本发明的实施例的方法。

实例1：

（1）裁剪石墨烯纸尺寸为30×60mm；

（2）将石墨烯纸分别在丙酮和去离子水中超声清洗1h后，用氮气吹干备用；

（3）配制乙腈电解液，其中含0.1mol/L高氯酸锂和0.2mol/L 3,4-乙撑二氧噻吩单体；

（4）将石墨烯纸浸入电解液中作为工作电极，铂丝为对电极，银/氯化银为参比电极，浸泡30min后，采用计时电位法聚合，聚合电位为0至1伏，聚合电流为3mA/cm²，循环100次，电化学沉积完成；

（5）将电化学沉积完成的石墨烯纸，用无水乙醇冲洗2~5次，60~80℃真空烘干10~12h，即得到石墨烯纸的导电聚噻吩柔性电极样品1。

实例2：

（1）裁剪石墨烯纸尺寸为30×60mm；

（3）配制乙腈电解液，其中含0.5mol/L高氯酸锂和0.3mol/L 3,4-乙撑二氧噻吩单体；

（5）将电化学沉积完成的石墨烯纸，用无水乙醇冲洗2~5次，60~80℃真空烘干10~12h，即得到石墨烯纸的导电聚噻吩柔性电极样品2。

实例3：

（1）裁剪石墨烯纸尺寸为30×60mm；

（4）将石墨烯纸浸入电解液中作为工作电极，铂丝为对电极，银/氯化银为参比电极，浸泡30min后，采用计时电位法聚合，聚合电位为0至1伏，聚合电流为8mA/cm²，循环100次，电化学沉积完成；

（5）将电化学沉积完成的石墨烯纸，用无水乙醇冲洗2~5次，60~80℃真空烘干10~12h，即得到石墨烯纸的导电聚噻吩柔性电极样品3。

实例4：

（1）裁剪石墨烯纸尺寸为30×60mm。

（2）将石墨烯纸分别在丙酮和去离子水中超声清洗1h后，用氮气吹干备用。

（5）将电化学沉积完成的石墨烯纸，用无水乙醇冲洗2~5次，60~80℃真空烘干10~12h，即得到石墨烯纸的导电聚噻吩柔性电极样品4。

通过上述实例，获得4种样品，这四种样品的参数如图2所示。从图2中可以看出，根据前述方法制造的柔性电极的质量比容量和面积比容量均较高。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims

1.一种制造柔性电极的方法，其特征在于，包括：

将高氯酸盐和3,4-乙撑二氧噻吩单体溶于乙腈溶液中，获得聚合电解液；

用石墨烯纸制作基片；

将所述基片浸入所述聚合电解液中作为工作电极并通电进行电化学聚合处理，在所述基片上电化学聚合形成聚氧噻吩薄膜电极层；

将进行了电化学聚合处理后的所述基片清洗并干燥，获得柔性电极。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述聚合电解液中，所述高氯酸盐的摩尔浓度为0.1~0.5摩尔/升，所述3,4-乙撑二氧噻吩单体的摩尔浓度为0.2~0.3摩尔/升。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用石墨烯纸制作基片包括：

将所述石墨烯纸裁剪成宽为20~30毫米、长为60~300毫米的长方形形状的基片；

将所述基片在丙酮中超声清洗1至2小时；

将所述基片在去离子水中超声清洗1至2小时；

用氮气吹干所述基片。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电化学处理包括：将所述基片浸入所述聚合电解液中作为工作电极，铂丝或铂片为对电极，银/氯化银为参比电极，在聚合电位或聚合电流下进行聚合反应，并循环预定次数。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：使用计时电位聚合法进行所述聚合反应，其中所述聚合电位设定为从0伏升至1伏，所述聚合电流的聚合电流密度为3毫安/平方厘米至8毫安/平方厘米，所述预定次数为20至100次。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于：使用循环伏安法进行所述聚合反应，其中所述聚合电位为-0.2伏至1伏，扫描速度为10毫伏/秒~100毫伏/秒，所述预定次数为50至150次。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将进行了电化学聚合处理后的所述基片清洗并干燥包括：将所述基片用无水乙醇冲洗2至5次，并在60至80摄氏度下真空烘干10至12小时。