CN105575676A - 一种基于pbi-koh阴离子导电聚合物电解质的全固态超级电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PBI-KOH阴离子导电聚合物电解质的全固态超级电容器及其制备方法。其特征在于：全固态超级电容器是以KOH掺杂的PBI(聚苯并咪唑)阴离子导电聚合物作为电解质、以KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物膜作为隔膜、以Ni(OH)2纳米球作为正极材料、以活性炭、介孔碳或碳纳米管作为负极材料，添加集流体后组装而成。本发明的超级电容器实现了真正的碱性全固态，所使用的聚合物电解质不需要添加液体电解液，提高了超级电容器使用的安全性及实用性，并且相比与传统的凝胶电极准固态超级电容器，具有更好的超电容性能。
Description
技术领域
本发明属于储能器件技术领域，特别涉及一种基于PBI-KOH阴离子导电聚合物电解质的全固态超级电容器及其制备方法。
背景技术
作为新型绿色储能装置之一的超级电容器，因具有较高的功率密度、较大的充放电倍率、较稳定的循环性能，获得了广泛的关注。特别是近年来，随着可穿戴电子设备市场的快速发展，灵活的、可伸缩的超级电容器成为最热门的研究课题之一。这些柔性的固态超级电容器通常使用基于聚乙烯醇(PVA)的凝胶电解质进行器件的组装，如使用PVA-KOH、PVA-H2SO4或PVA-H3PO4凝胶电解质。这些电解质具有低成本、高吸水性能和较高的容量等特点，适合制作灵活的准固态超级电容器。然而，由于溶剂的蒸发会造成安全问题及离子导电率的损失，使得这些准固态超级电容器存在安全隐患及限制其广泛应用。
阴离子导体聚合物电解质不存在电解液溢出的问题，具有更高的安全性和更大的灵活性，并且包装方便，具有实用性。但目前尚未有适用于全固态超级电容器的阴离子导体聚合物电解质出现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于全固态超级电容器的聚合物电解质及其制备方法，在此基础上组装得到的全固态超级电容器无需添加电解液，不存在电解液泄漏、爬碱等安全隐患，并且获得了较高的功率密度和较好的循环稳定性，制备方法简单，成本低。因此对高储能器件的制备及应用具有十分重要的意义。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明基于PBI-KOH阴离子导电聚合物电解质的全固态超级电容器，其特点在于：所述全固态超级电容器是以KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物作为电解质、以KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物膜作为隔膜、以理论比容量较高的Ni(OH)2纳米球作为正极材料、以高比表面积的活性炭、介孔碳或碳纳米管作为负极材料，添加集流体后组装而成。其中，所述KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物膜的厚度为7.5～50μm之间。
本发明全固态超级电容器的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用滴落涂布法制备KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物膜
首先将PBI溶解在二甲基乙酰胺中，配制质量分数为5％的PBI溶液，并采用流延法成膜工艺制得PBI阴离子导电聚合物膜；将PBI阴离子导电聚合物膜浸入浓度在1～6M的KOH溶液中，常温反应10min～10days，取出干燥，即获得用于作为隔膜的KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物膜；
(2)制备正极浆料
将Ni(OH)2纳米球、导电剂、PBI溶液(与步骤(1)中PBI溶液相同)和粘结剂混合后，加入N-甲基吡咯烷酮，60℃搅拌12h，获得正极浆料；优选的，Ni(OH)2纳米球、导电剂、PBI和粘结剂的质量百分比为65％:15％:15％:5％。
Ni(OH)2纳米球采用沉淀法制备，具体步骤是：将2mmolNiSO4溶解在50mL去离子水中，然后加入2mmolNH3·H2O，在65℃搅拌30min，随后在60℃烘干，即得产物。
(3)制备负极浆料
将负极材料、导电剂、PBI溶液(与步骤(1)中PBI溶液相同)和粘结剂混合后，加入N-甲基吡咯烷酮，60℃搅拌12h，获得负极浆料；优选的，负极材料、导电剂、PBI和粘结剂的质量百分比为65％:15％:15％:5％。
(4)制备正极片和负极片
将正极浆料均匀涂覆在极片上，60℃下烘干后，再在100℃下烘干12h，获得正极片；将负极浆料均匀涂覆在极片上，60℃下烘干后，再在100℃下烘干12h，获得负极片；分别在正极片和负极片的表面滴50～500μLcm-2的浓度为6M的KOH，然后晾干；
(5)组装
按照集流体、正极片、隔膜、负极片、集流体的顺序进行组装，即获得非对称型全固态超级电容器。
其中，所述粘接剂为PVDF，所述导电剂为导电碳黑。所述集流体为不锈钢网。所述极片为碳纸。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明基于PBI-KOH阴离子导电聚合物电解质的全固态超级电容器，无需补充电解液，并且具有较高的比容量和良好的稳定性。
通过本发明的方法，将PBI阴离子导电聚合物膜进行简单的碱性掺杂后运用到超级电容器中，使电容器具有较高的能量密度，且工艺所需成本低廉、实施操作方便、无废气排放、环境整洁卫生。
此外KOH掺杂的PBI具有良好的机械强度和尺寸稳定性，可以降低柔性超级电容器对导电衬底的要求。本发明的方法同样适用于发展全固态碱性电池。
附图说明
图1为KOH掺杂的PBI微观结构原理图。
具体实施方式
下面通过实施例具体说明与本发明有关的实施方案，其仅仅是用来说明本发明的实施方案的有限例子，并不限制本发明的范围。
实施例1：
本实施例的基于PBI-KOH阴离子导电聚合物电解质的全固态超级电容器是按如下步骤进行制备：
(1)采用滴落涂布法制备KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物膜
首先将PBI溶解在二甲基乙酰胺(DMAC)中配制质量分数为5％的PBI溶液，并采用流延法成膜工艺制得PBI阴离子导电聚合物膜，其厚度在30μm左右。
然后将PBI阴离子导电聚合物膜浸入浓度在6M的KOH溶液中，常温反应20min，最后取出、60℃烘干，即获得用于作为隔膜的KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物膜，其微观结构图如图1所示。
(2)制备正极浆料
首先采用沉淀法制备Ni(OH)2：将2mmolNiSO4溶解在50mL去离子水中，然后加入2mmolNH3·H2O，在65℃搅拌30min，随后在60℃烘干，收集产物。
将Ni(OH)2纳米球、导电剂、PBI溶液(与步骤(1)中PBI溶液相同)、粘结剂混合，加入NMP，在60℃下搅拌12h，获得正极浆料。Ni(OH)2纳米球、导电剂、PBI和粘结剂的质量百分比为65％:15％:15％:5％。
(3)制备负极浆料：
将比表面积为2000m2g-1的活性炭、导电剂、PBI溶液(与步骤(1)中PBI溶液相同)、粘结剂混合，加入NMP，在60℃下搅拌12h，获得负极浆料。活性炭、导电剂、PBI和粘结剂的质量百分比为65％:15％:15％:5％。
(4)制备正极片和负极片
将正极浆料均匀涂覆在极片上(1cm×1cm)，60℃下烘干后，再在100℃下烘干12h，获得正极片；将负极浆料均匀涂覆在极片(1cm×1cm)上，60℃下烘干后，再在100℃下烘干12h，获得负极片；分别在正极片和负极片的表面滴50μL浓度为6M的KOH，然后晾干20min；
(5)组装
按照集流体、正极片、隔膜、负极片、集流体的顺序进行组装，即获得非对称型全固态超级电容器。
对本实施例所组装的非对称型全固态超级电容器进行性能测试，各项参数如表1所示。
表1：基于PBI-KOH阴离子导电聚合物电解质的全固态超级电容器的各项参数
| 电极面积 | 1cm×1cm |
| 电压窗口 | 0～1.5V |
| 最大比容量 | 118.6F g-1 |
| 能量密度 | 37.1Wh kg-1 |
Claims (6)
1.一种基于PBI-KOH阴离子导电聚合物电解质的全固态超级电容器，其特征在于：所述全固态超级电容器是以KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物作为电解质、以KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物膜作为隔膜、以Ni(OH)2纳米球作为正极材料、以活性炭、介孔碳或碳纳米管作为负极材料，添加集流体后组装而成。
2.根据权利要求1所述的基于PBI-KOH阴离子导电聚合物电解质的全固态超级电容器，其特征在于：所述KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物膜的厚度为7.5～50μm之间。
3.一种权利要求1或2所述全固态超级电容器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)采用滴落涂布法制备KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物膜
首先将PBI溶解在二甲基乙酰胺中，配制质量分数为5％的PBI溶液，并采用流延法成膜工艺制得PBI阴离子导电聚合物膜；将PBI阴离子导电聚合物膜浸入浓度在1～6M的KOH溶液中，常温反应10min～10days，取出干燥，即获得用于作为隔膜的KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物膜；
(2)制备正极浆料
将Ni(OH)2纳米球、导电剂、PBI溶液和粘结剂混合后，加入N-甲基吡咯烷酮，60℃搅拌12h，获得正极浆料；
(3)制备负极浆料
将负极材料、导电剂、PBI溶液和粘结剂混合后，加入N-甲基吡咯烷酮，60℃搅拌12h，获得负极浆料；
(4)制备正极片和负极片
将正极浆料均匀涂覆在极片上，60℃下烘干后，再在100℃下烘干12h，获得正极片；将负极浆料均匀涂覆在极片上，60℃下烘干后，再在100℃下烘干12h，获得负极片；分别在正极片和负极片的表面滴50～500μLcm-2浓度为6M的KOH，然后晾干；
(5)组装
按照集流体、正极片、隔膜、负极片、集流体的顺序进行组装，即获得非对称型全固态超级电容器。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述粘接剂为PVDF，所述导电剂为导电碳黑。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述集流体为不锈钢网。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述极片为碳纸。
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