CN106229160B - 一种高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法，所制得的超级电容器具有优异的电化学性能，同时，该超级电容器具有良好的柔性和可拉伸性，在以400%的拉伸量进行1000次循环拉伸后，其电容保有率近100%。

Description

一种高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及超级电容器技术领域，特别涉及一种高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法。
【背景技术】
近年来，作为能量储存器件的超级电容器因具有较高的比容量和能量密度而得到广泛关注。除有大量研究致力于提高其电化学性能外，还有大量研究试图将超级电容器与其他功能结合从而扩大其应用领域。为适应可携带、可编织的电子器件的发展需求，需要研发有柔性、可拉伸的超级电容器。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法，解决上述问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明提供一种高功率的可拉伸超级电容器，包括基底、电极材料和凝胶状电解质，所述电极材料铺设于所述基底上，形成电极，所述凝胶状电解质铺设于所述电极上，所述基底的材质为SEBS，所述电极材料为聚苯胺/金/碳纳米管复合物，所述凝胶状电解质的材质为聚乙烯醇/磷酸复合物。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种高功率的可拉伸超级电容器的制备方法，包括：
（1）准备一方形铁架，在所述方形铁架上均匀地铺设一层碳纳米管薄膜；
（2）在所述碳纳米管薄膜上蒸镀一层金纳米颗粒，形成金/碳纳米管复合物；
（3）在SEBS弹性纤维两端上施加拉力，然后将所述SEBS弹性纤维进行拉伸，形成处于拉伸状态的SEBS弹性纤维；
（4）在所述金/碳纳米管复合物上电沉积聚苯胺，形成聚苯胺/金/碳纳米管复合物；
（5）在所述处于拉伸状态的SEBS弹性纤维上均匀地铺设一层所述聚苯胺/金/碳纳米管复合物；
（6）将所述处于拉伸状态的SEBS弹性纤维两端的外力撤除，形成具有可拉伸性质的超级电容器电极；
（7）在两根电极的表面涂布一层聚乙烯醇/磷酸复合物作为凝胶状电解质，形成具有电解质的电极；
（8）将带有所述电解质的电极组装，得到可拉伸的超级电容器。
作为本发明的一个优选的实施例，所述步骤（1）中所述碳纳米管薄膜是由碳纳米管阵列通过干法拉膜制得，其中所述碳纳米管阵列由化学气相沉积法制备。
作为本发明的一个优选的实施例，所述步骤（2）中所述金纳米颗粒的蒸镀采用热蒸发技术制备。
作为本发明的一个优选的实施例，所述步骤（3）中所述SEBS弹性纤维的长度拉伸量大于原长度的400%。
作为本发明的一个优选的实施例，所述聚苯胺在聚苯胺/金/碳纳米管复合物中的质量含量为 30%~70%。
作为本发明的一个优选的实施例，所述聚苯胺在聚苯胺/金/碳纳米管复合物中的质量含量为 50%。
与现有技术相比，本发明中所述的高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法，所制得的超级电容器具有优异的电化学性能，同时，该超级电容器具有良好的柔性和可拉伸性，在以400%的拉伸量进行1000次拉伸循环后，其电容保有率近100%。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明中的一种高功率的可拉伸超级电容器的结构示意图；
图2为本发明中的一种高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法的碳纳米管在不同金沉积时间下的表面微观形貌图；
图3为本发明中的一种高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法的超级电容器电极在进行拉伸循环过程中的电阻变化示意图；
图4为本发明中的一种高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法的超级电容器在不同扫速条件下的循环伏安曲线图；
图5为本发明中的一种高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法的超级电容器在不同电流密度下的恒流充放电曲线图；
图6为本发明中的一种高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法的超级电容器的循环周期数与比容量的关系示意图；
图7为本发明中的一种高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法的超级电容器的拉伸量与比容量的关系示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明所述的一种高功率的可拉伸超级电容器，包括：基底、电极材料和凝胶状电解质。为了便于理解，现结合实施例介绍：
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明提供的高功率的可拉伸超级电容器，是由氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚(styrene‐(ethylene‐butylene)‐styrene 简称为SEBS)作为基底；聚苯胺/金/碳纳米管复合物作为电极材料的对称超级电容器；其两极间夹有聚乙烯醇/磷酸复合物（PVA/H3PO4）作为凝胶电解质。图1为本发明中的一种高功率的可拉伸超级电容器的结构示意图。如图1所示，所述电极材料包覆于所述基底上，所述凝胶状电解质包覆于所述电极材料上。
本发明提供上述的高功率的可拉伸超级电容器的制备方法，其具体步骤为 ：
1）准备一方形铁架，在所述方形铁架上均匀地铺设一层超顺排的碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜是由碳纳米管阵列通过干法拉膜得到的，其中用到的碳纳米管阵列由化学气相沉积法制备；
2）采用热蒸发技术，在所述碳纳米管薄膜上蒸镀一层金纳米颗粒；
3）在SEBS弹性纤维两端上施加一定的拉力，将该SEBS弹性纤维进行拉伸，所述SEBS弹性纤维的长度拉伸量大于原长度的400%；
4）在所述金/碳纳米管复合物上电沉积聚苯胺；
5）在处于拉伸状态的SEBS弹性纤维上均匀地铺一层聚苯胺/金/碳纳米管复合物；
6）将步骤（5）中的处于拉伸状态的SEBS弹性纤维两端的外力撤除，以此作为可拉伸超级电容器的电极 ；
7）在两根电极的表面涂布一层PVA/H3PO4凝胶状电解质；
8）将由步骤（7）中制得的带有凝胶状电解质的电极组装，得到可拉伸的超级电容器。
上述步骤中，所述聚苯胺在碳纳米管/聚苯胺复合物中的质量含量为 30%~70%，优选 50%。
本发明的超级电容器在 1 A/g 的电流密度下，比容量可达8.7 F/g ；且该超级电容器具有良好的可拉伸性，在 400% 的拉伸量下能保持 87% 的比容量 ；经1000次反复拉伸后，比容量没有明显衰减。
请参阅图2，图2为本发明中的一种高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法的碳纳米管在不同金沉积时间下的表面微观形貌图。从图2中可以看出，随着沉积时间的增加，碳纳米管表面的金纳米颗粒逐渐增多。
本发明制备的超级电容器具有良好的柔性和可拉伸性。请参阅图3，图3为本发明中超级电容器电极在进行拉伸循环过程中的电阻变化示意图。如图3所示，当对电极进行拉伸时，当拉伸量高达 400% 时，电阻变化不超过 10%，而且，该电极在被拉伸了 1000 次（拉伸量为 400%）后，电阻仅增加了9.4%，其中电极内部的褶皱结构保证了器件良好的柔性和可拉伸性。
本发明制备的超级电容器具有优异的超级电容性能。请参阅图4，图4为本发明中的一种高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法的超级电容器在不同扫速条件下的循环伏安曲线图。如图4所示，循环伏安曲线中有明显的氧化还原峰，说明该超级电容器充放电过程中有明显的赝电容行为，而且，随着扫速从1V/s 增加至100 V/s，氧化还原峰能够得到良好的保持，说明该超级电容器具有良好的倍率性能，其中涉及的氧化还原反应能够快速进行。图5为本发明中的一种高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法的超级电容器在不同电流密度下的恒流充放电曲线图，如图5所示，对该超级电容器在不同的电流密度下进行恒流充放电，其对称的充放电曲线表明该超级电容器具有较高的库伦效率。不仅如此，本发明制备的超级电容器的长效循环性能较优，请参阅图6，图6为本发明中的一种高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法的超级电容器的循环周期数与比容量的关系示意图。如图6所示，该超级电容器经过 1000 次拉伸后，其比容量变化不超过5%，即仍能保持近100% 的比容量。本发明对该器件拉伸了1000次后，器件结构没有损坏。请再参阅图7，图7为本发明中的一种高功率的可拉伸超级电容器及其制备方法的超级电容器的拉伸量与比容量的关系示意图。在拉伸过程中，当该超级电容器被拉伸原长的 100% 和 300% 时，电极比容量分别增加了 1.9% 和 3.8%。如图7所示，这是由于器件在拉伸量较小的拉伸过程中，拉伸使电极内部及电极与电解液之间的接触更加紧密所致 ；当拉伸量进一步增加至 400% 时，99.7%的比容量可以得到保持 。而且，当撤去拉力使器件恢复到自然状态后，电容器的比容量能够基本恢复。
综上所述，本发明中高功率的可拉伸超级电容器，该超级电容器具有较高的电化学性能，对能量储存状态进行快速可逆的直观动态响应，具有超快的充放电速度。同时，该超级电容器具有良好的柔性和可拉伸性，在以400%的拉伸量进行1000次拉伸循环后，能够保持近 100%的比容量。本发明为开辟新一代功能化智能微型储能器件提供了可能，而且可以扩展到其他的能量转化或储存器件中，具有重要应用价值。
需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (6)

1.一种可拉伸超级电容器，包括基底、电极材料和凝胶状电解质，所述电极材料铺设于所述基底上，形成电极，所述凝胶状电解质铺设于所述电极上，其特征在于：所述基底的材质为氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物styrene‐(ethylene‐butylene)‐styreneSEBS，所述电极材料为聚苯胺/金/碳纳米管复合物，所述凝胶状电解质的材质为聚乙烯醇/磷酸复合物；
可拉伸超级电容器的制备方法，包括：
(1)准备一方形铁架，在所述方形铁架上均匀地铺设一层碳纳米管薄膜；
(2)在所述碳纳米管薄膜上蒸镀一层金纳米颗粒，形成金/碳纳米管复合物；
(3)在SEBS弹性纤维两端施加拉力，将所述SEBS弹性纤维进行拉伸，形成处于拉伸状态的SEBS弹性纤维；
(4)在所述金/碳纳米管复合物上电沉积聚苯胺，形成聚苯胺/金/碳纳米管复合物；
(5)在所述处于拉伸状态的SEBS弹性纤维上均匀地铺设一层所述聚苯胺/金/碳纳米管复合物；
(6)将所述处于拉伸状态的SEBS弹性纤维两端的外力撤除，形成具有可拉伸性质的超级电容器电极；
(7)在两根电极的表面涂布一层聚乙烯醇/磷酸复合物作为凝胶状电解质，形成具有电解质的电极；
(8)将带有所述电解质的电极组装，得到可拉伸的超级电容器。
2.根据权利要求1所述的可拉伸超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述碳纳米管薄膜是由碳纳米管阵列通过干法拉膜制得，其中所述碳纳米管阵列由化学气相沉积法制备。
3.根据权利要求1所述的可拉伸超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述金纳米颗粒的蒸镀采用热蒸发技术制备。
4.根据权利要求1所述的可拉伸超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述SEBS弹性纤维的长度拉伸量大于原长度的400％。
5.根据权利要求1所述的可拉伸超级电容器的制备方法，其特征在于，所述聚苯胺在聚苯胺/金/碳纳米管复合物中的质量含量为30％～70％。
6.根据权利要求5所述的可拉伸超级电容器的制备方法，其特征在于，所述聚苯胺在聚苯胺/金/碳纳米管复合物中的质量含量为50％。
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