CN106298276B - 一种连续印刷制备超级电容器的方法 - Google Patents
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Abstract
一种连续印刷制备超级电容器的方法，利用印刷法连续将电极材料、隔膜和电解质溶液按特定顺序依次连续沉积到基底的表面，形成具有不同结构的超级电容器，电极材料为碳材料、导电高分子或金属氧化物等；隔膜材料为不导电的纳米纤维；电解质为准固态的聚合物电解质；超级电容器的电极材料和隔膜的尺寸、形状和集成方式通过设计挡板的形状来实现；超级电容器集成的基底为塑料、纸、玻璃、布等。本发明的优点是：制备方法简单、可设计性强、适用性广，制备的超级电容器轻薄并具有良好的电化学性能，在集成电路、柔性可穿戴电子器件、绿色能源、航空航天以及国防科技等领域有着广泛的应用前景，并且有望实现工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于电化学领域，特别涉及一种连续印刷制备超级电容器的方法。
背景技术
随着社会经济的快速发展，生态环境逐渐恶化，致使人类面临着能源短缺的严重问题，新型能源受到人们的日益关注。因此，设计新型的电化学储能器件是当下科学领域的热点问题。目前，电化学储能器件包括两类：一类是电池，将电能以潜在可用化学能的形式存储，具有较高的能量密度，应用广泛，但其放电功率有限，需要配合高功率输出的电池进行设计；另一类是静电电容器，将正负电荷以静电形式置于电容器的不同极板间来存储电能，但能量存储相对较少，能够在极短的时间输出所存储的能量，具有极高的功率密度，因此主要被用作信号发射源。超级电容器属于一种介于上述两者之间的新型储能器件，具有高于电池十倍以上的功率密度以及高于传统电容器几十倍乃至上百倍的电荷存储能力，能够同时满足高功率密度和高能量密度的需求。此外，超级电容器还拥有充电时间短、充放电效率高、循环寿命长等优点。可以满足电动汽车在加速、启动、爬坡时的瞬时大功率输出，也可以作为便携式仪器的后备电源。
超级电容器主要是由电极材料、电解液和隔膜等组成。目前，最为常见的超级电容器是三明治叠层结构的超级电容器，其组成过程是将制备的电极材料的薄膜铺在基底上，然后将两片超级电容器的电极材料，对称的放在商业化的隔膜的两侧，滴加电解液完成超级电容器的组装，但是这种常用的超级电容器的组装方法仍存在以下问题：1)无法连续大面积将超级电容器的各个组成部分，不能通过同一种方法，集成到一起；2)超级电容器的形状不可设计，不能通过对电极形状的设计来完成多个超级电容器的串联或并联的集成；3)超级电容器的基底大多是平面的，无法满足新型柔性可穿戴电子设备的要求，而为了满足不同新型电子器件的需求，超级电容器往往需要集成到不同结构和材质的基底上。因此，如何解决上述问题，在不同结构和材质的基底上连续可控制备出不同形状超级电容器势在必行。
印刷法是一种操作简便、成本低廉、能够在不同基底上大规模制备薄膜的方法，被广泛的用于太阳能电池、传感器、有机光伏器件等领域。而且，印刷法已经简单的被用来在塑料及纤维布基底上制备超级电容器的薄膜电极。但是，由于隔膜和电解质制备方面的限制，印刷法只能用来制备超级电容器的电极，无法实现超级电容器各部分在不同结构和材质基底上的连续制备。本发明利用印刷法成功制备了超级电容器的电极材料、隔膜和电解质，实现了超级电容器各部分在不同结构和材质基底上的连续制备，该发明具有方法简单、轻薄、可设计性强、适用性广、良好的电化学性能等优点，将在集成电路、柔性可穿戴电子集成器件、绿色能源、航空航天以及国防科技等领域有着广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种连续印刷制备超级电容器的方法，该发明具有方法简单、轻薄、可设计性强、适用性广、良好的电化学性能等优点，将在集成电路、柔性可穿戴电子集成器件、绿色能源、航空航天以及国防科技等领域有着广泛的应用前景。
本发明的技术方案：
一种连续印刷制备超级电容器的方法，步骤如下：
1)电极材料薄膜的制备
将均匀分散在溶剂中的电极材料，经过挡板I印刷到基底上，通过在室温-200℃范围调节基底的温度，使溶剂快速挥发，在基底上得到电极材料薄膜；所述电极材料为活性炭、碳纳米管、石墨烯、MnO2、RuO2、Co3O4、V2O5、聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、联多苯和聚苯乙炔中的一种或两种以上任意比例的混合物；所述基底为玻璃、木板、纤维布、纸或塑料，基底的形状为平面或曲面；电极材料薄膜的厚度为0.05-500μm；电极材料薄膜的形状与挡板I的形状相同，通过调节挡板的形状，实现超级电容器的串并联的集成，得到可设计形状的超级电容器；
2)电极材料薄膜上隔膜的制备
将分散好的纳米纤维溶液，利用印刷法，经过挡板II印刷在电极材料薄膜的表面，待溶剂挥发后形成纤维膜，作为超级电容器的隔膜，挡板II的边缘比挡板I大2-5mm，以保证纳米纤维隔膜完全覆盖在电极材料的表面，防止短路的发生；隔膜的尺寸与挡板II的尺寸相同，通过调控挡板的尺寸改变隔膜的大小，当隔膜面积一定时，相同的印刷时间，纳米纤维溶液浓度越大，隔膜越厚；相同的纳米纤维溶液浓度，印刷时间越长，隔膜越厚；所述纳米纤维溶液的溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二氯亚砜、石油醚、环己烷二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、乙酸乙酯、苯、甲苯、二甲苯、丙酮、环己酮、乙醚、二乙二醇二甲醚、四氢呋喃、吡啶或N－甲基吡咯烷酮，纳米纤维溶液的浓度为0.02-10wt％，印刷时间为10s-300min，隔膜的厚度为0.05-500μm。
3)超级电容器的组装
在已经印刷好隔膜的电极材料薄膜上，继续用印刷法制备超级电容器的另一个电极，与步骤1的方法相同，将均匀分散在溶剂中的电极材料，经过与挡板I印刷到基底的隔膜上，通过在室温-200℃范围调节基底的温度，使溶剂快速挥发，在基底上制得电极材料的薄膜；如果要在垂直基底方向实现多个超级电容器的集成，需要重复上述印刷的方法印刷所需更多层的电极和隔膜层，只是挡板上引线的位置根据需要进行调节；所述电极和隔膜层交替堆叠，具体层数根据实际需要来决定；电极和隔膜制备完成后，将聚合物电解质的水溶液通过与上述相同的印刷方式加到电极材料和隔膜层上，在室温-90℃下挥发电解质中多余的水分，完成超级电容器的组装；所述聚合物电解质水溶液是由电解质KOH、NaOH、LiOH、H2SO4、H3PO4、K2SO4、Na2SO4、Li2SO4、KCl、NaCl或LiCl中的任意一种和聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷或明胶中的任意一种组成的任意比例的混合物与水配置的水溶液，聚合物电解质水溶液的浓度为2-30wt％；在整个组装过程中，超级电容器的电极材料、隔膜、电解质全部是利用相同的印刷的方法集成到一起的，制备过程连续可控。
本发明的优点是：
1.本发明提出了一种新型构建超级电容器的思路，解决了以往超级电容器无法连续性组装的难题，如，超级电容器的各个部件(电极材料、隔膜、电解质)没有统一的制备方法，无法连续化操作；电极材料与隔膜只是简单的组装在一起，存在缝隙，容易相对滑动；电极材料与隔膜之间的结合力弱；本发明制备的超级电容器形成的结构是一体化的，电极与隔膜之间没有缝隙，结合力较强。
2.本发明利用印刷法，将电极材料和隔膜集成到同一个基底上，具有一定的定向性；并且，制备的电极材料和隔膜的尺寸可调，质量轻薄，厚度可控；此过程具有方法简单，便于操作优点；整个超级电容器的厚度也是可以根据需要，通过改变印刷喷料的浓度以及印刷时间进行调节。
3.本发明采用的设备简单，易于大面积器件的制造，不受衬底刚柔性影响，材料利用率高、制备速度快、成本低廉、便于掩膜，制备多层器件时后续层不会对前层造成破坏，容易实现工业化生产。
4.本发明可以广泛地应用到各种材料，材料只需能够均匀的分散到易挥发的溶剂中；材料可以是双电层材料，如：活性炭、碳纳米管、石墨烯；也可以是赝电容材料，如：MnO2、RuO2、Co3O4、V2O5、聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、联多苯和聚苯乙炔；还可以是它们两种或多种的混合物。通过调控电极材料的种类和印刷量可以制备出对称或非对称式的超级电容器，以满足不同种类超级电容器的需求，材料通用性较强。
5.本发明所制备的超级电容器的结构设计性强，超级电容器的结构与挡板的形状相一致，可通过改变挡板的形状，制备出多种结构的超级电容器来满足实际情况下的需求。此外，也可通过挡板形状的设计，实现多个超级电容器串联或者并联的集成到同一个基底上，这样不仅可以减少器件之间连接而存在的电阻，还可以更为便捷的实现多个器件的集成。
6.本发明不受基底的种类所限，可以印刷在不同结构和材质的基底上；基底可以是平面的硬基底，包括木板、玻璃、硅片；也可以是具有一定柔性的塑料上，如：聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯薄膜；还可以是具有弯折功能的基底，如：A4纸、纤维布；甚至在曲面基底上也可以进行超级电容器的集成。并且，也适用于日常生活的物体，包括衣服，玻璃杯，桌子，地板。对于新型家具制造与可穿戴设备的结合发展，具有深远的影响。这也充分的说明了本发明对于不同功能的基底的普遍适用性。
7.本发明所用的电解液加入量和印刷范围可根据需求进行调控，方便连续化的对超级电容器进行组装。
8.本发明提供了一种普遍适用的方法，能够简单快速的将不同结构的超级电容器集成到具有不同功能的基底上。制备的超级电容器具有厚度质量可调，形状设计的优点。在集成电路、柔性可穿戴电子器件、绿色能源、航空航天领域有着广泛的应用前景，并且有望实现工业化生产。
附图说明
图1为利用喷雾印刷法以碳纳米管作为原料制备超级电容器的示意图。
图中：1、电极材料喷雾 2、挡板 3、基底 4、纳米纤维素喷雾 5、电解液喷雾
图2a为本发明制备的超级电容器截面的扫描照片。
图2b为本发明制备的以聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜为基底的超级电容器的光学照片。
图3为本发明制备的超级电容器在不同扫描速率下的循环伏安曲线。
图4为本发明制备的超级电容器在不同电流密度下的恒流充放电曲线。
图5为本发明在纤维布基底上制备的超级电容器的光学照片。
图6为本发明制备的纤维布基底超级电容器在不同扫描速率下的循环伏安曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的解释和说明。
实施例：
本发明以喷雾印刷法为例，将超级电容器的各组成部分，包括电极材料、隔膜、电解液，集成到同一个基底上，整个制备过程连续可控。
图1为利用喷雾印刷法以碳纳米管作为原料制备超级电容器的示意图，将分散好的电极材料的溶液，通过喷枪雾化喷出，进行电极材料喷雾1，经过特定形状的挡板2，沉积到基底3上，待溶剂挥发后，形成电极材料的薄膜，电极材料薄膜的厚度为1μm；然后，将分散好的纳米纤维溶液，用喷枪雾化喷出，均匀覆盖在电极材料的表面，进行纳米纤维素喷雾4，待溶剂挥发后形成均匀的纳米纤维膜，作为隔膜层，隔膜的厚度为8μm，隔膜形状略大于电极的形状以防止短路的发生，如图1步骤I所示；在隔膜之上，用相同的方法，将超级电容器的另一电极材料组装到隔膜表面，注意两层电极要在隔膜两侧保持正对重合，如图1步骤II所示。最后，按图1步骤III，进行电解液喷雾5，将聚合物电解质水溶液通过喷雾的方式加到纤维素和电极材料层上，完成超级电容器的组装。
该实施例中，以纤维布为基底，基底的尺寸为边长为3.5cm的正方形，电极材料和隔膜的尺寸均为1.5cm，挡板的形状为正方形框，其外边长为2.5cm、内边长为1.5cm；以碳纳米管作为电极材料，纳米纤维素作为隔膜，纳米纤维溶液的浓度为0.18wt％，印刷时间为40min，聚乙烯醇/硫酸作为电解液，聚合物电解质水溶液的浓度为10wt％，采用喷雾印刷的方法，连续可控的将电极材料、隔膜、电解质集成到了纤维布上。
具体实施过程：
以碳纳米管为超级电容器的电极材料，超声分散在N,N-二甲基甲酰胺溶液中，采用孔径0.3mm的喷枪雾化喷出，经过挡板，沉积到放置在90℃加热台的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜上，薄膜的厚度为100μm，待溶剂挥发后，得到碳纳米管的薄膜；然后将纳米纤维素水溶液喷到碳纳米管的表面，待水蒸发后形成纳米纤维素隔膜，形成的纤维膜需将碳纳米管完全覆盖，防止短路的发生；在纤维隔膜之上，采用相同的方法制备出另一碳纳米管电极，完成了电极和隔膜的组装。最后在碳纳米管和纤维素层的表面定向喷加电解质溶液，所采用的电解液是聚乙烯醇/硫酸准固态电解液，静置过夜，待水分挥发，形成准固态超级电容器。
如图2a所示，所得到的超级电容器的截面扫面照片出现了明显的三层结构，碳纳米管在中间纤维素层的两侧。图片2b就是本发明采用喷雾印刷法，在聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜上制备的超级电容器的光学照片。
对所制备的准固态超级电容器进行电化学性能的测试，图3是准固态超级电容器在不同扫描速率下的循环伏安曲线(扫描速度分别为10mV/s，20mV/s，50mV/s，100mV/s)。图3显示：本发明制备的碳纳米管准固态超级电容器的循环伏安曲线在检测的电势范围内近似为矩形，这表明本发明制备的碳纳米管准固态超级电容器为纯双电层电容器。此外，对碳纳米管准固态超级电容器在不同电流密度(0.2-5.0A/g)下进行了恒流充放电的测试，从测试结果图4可以看出超级电容器的充放电效率非常接近100％，超级电容器工作的截止电压与放电初始电压的差值非常小，这表明本发明制备的碳纳米管薄膜超级电容器的等效串联电阻(ESR)非常小；并且，在较高的电流密度下仍能较好的进行充放电，说明超级电容器的倍率性能较好。在电流密度为0.2A/g下，测得的超级电容器的单电极容量为124F/g，比文献中报道的碳纳米管准固态超级电容器的值(Nano Research(2010)3:594-603)有了明显的提高。
所制备的纤维布基底碳纳米管准固态超级电容器的光学照片如图5所示。
对本发明制备的纤维布基底碳纳米管准固态超级电容器进行电化学性能的测试，图6是超级电容器在不同扫描速率下的循环伏安曲线(扫描速度分别为10mV/s，20mV/s，50mV/s，100mV/s)。从图6可以发现曲线形状也近似呈现矩形，符合双电层的储能机理。随着扫描速率的增大，矩形面积不断增加，而相对于碳纳米管薄膜质量的比电容量基本不变，表明超级电容器能够进行快速的充放电。
上述的实施例仅用来说明本说明，它不应该理解为是对本说明的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离本发明精神和原理下，对本发明所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种连续印刷制备超级电容器的方法，其特征在于步骤如下：
1)电极材料薄膜的制备
将均匀分散在溶剂中的电极材料，经过挡板I印刷到基底上，通过在室温-200℃范围调节基底的温度，使溶剂快速挥发，在基底上得到电极材料薄膜；所述电极材料为活性炭、碳纳米管、石墨烯、MnO2、RuO2、Co3O4、V2O5、聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、联多苯和聚苯乙炔中的一种或两种以上任意比例的混合物；所述基底为玻璃、木板、纤维布、纸或塑料，基底的形状为平面或曲面；电极材料薄膜的厚度为0.05-500μm；电极材料薄膜的形状与挡板I的形状相同，通过调节挡板的形状，实现超级电容器的串并联的集成，得到设计形状的超级电容器；
2)电极材料薄膜上隔膜的制备
将分散好的纳米纤维溶液，利用印刷法，经过挡板II印刷在电极材料薄膜的表面，待溶剂挥发后形成纤维膜，作为超级电容器的隔膜，挡板II的长度和宽度边缘比挡板I大2-5mm，以保证纳米纤维隔膜完全覆盖在电极材料的表面，防止短路的发生；隔膜的尺寸与挡板II的尺寸相同，通过调控挡板的尺寸改变隔膜的大小，当隔膜面积一定时，相同的印刷时间，纳米纤维溶液浓度越大，隔膜越厚；相同的纳米纤维溶液浓度，印刷时间越长，隔膜越厚；所述纳米纤维溶液的溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二氯亚砜、石油醚、环己烷二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、乙酸乙酯、苯、甲苯、二甲苯、丙酮、环己酮、乙醚、二乙二醇二甲醚、四氢呋喃、吡啶或N－甲基吡咯烷酮，纳米纤维溶液的浓度为0.02-10wt％，印刷时间为10s-300min，隔膜的厚度为0.05-500μm；
3)超级电容器的组装
在已经印刷好隔膜的电极材料薄膜上，继续用印刷法制备超级电容器的另一个电极，与步骤1的方法相同，将均匀分散在溶剂中的电极材料，经过与挡板I印刷到基底的隔膜上，通过在室温-200℃范围调节基底的温度，使溶剂快速挥发，在基底上制得电极材料的薄膜；当在垂直基底方向实现多个超级电容器的集成时，需要重复上述印刷的方法印刷所需更多层的电极和隔膜层，只是挡板上引线的位置根据需要进行调节；所述电极和隔膜层交替堆叠，具体层数根据实际需要来决定；电极和隔膜制备完成后，将聚合物电解质的水溶液通过与上述相同的印刷方式加到电极材料和隔膜层上，在室温-90℃下挥发电解质中多余的水分，完成超级电容器的组装；所述聚合物电解质水溶液是由电解质KOH、NaOH、LiOH、H2SO4、H3PO4、K2SO4、Na2SO4、Li2SO4、KCl、NaCl或LiCl中的任意一种和聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷或明胶中的任意一种组成的任意比例的混合物与水配置的水溶液，聚合物电解质水溶液的浓度为2-30wt％；在整个组装过程中，超级电容器的电极材料、隔膜、电解质全部是利用相同的印刷方法集成到一起的，制备过程连续可控。
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