CN106469613B - 一种可修复的电学元件 - Google Patents

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Abstract

一种可修复的电学元件，包括一个或多个电极和一个柔韧外壳，其中，所述可修复的电学元件被配置为当该可修复的电学元件或该可修复的电学元件的任意部分被部分地损坏时能够自我修复。一种形成可修复的电学元件的方法，包括：形成一个或多个电极，该电极包括芯、铁磁性材料的中间层以及吡咯基材料界定的外层，所述外层包住芯和铁磁性材料，将所述一个或多个电极放置于电解质中，提供外壳以封装所述一个或多个电极和所述电解质，所述外壳由聚氨酯材料形成。

Description

一种可修复的电学元件
技术领域
本发明涉及一种电学元件或设备，特别地本发明涉及一种当该电学元件或设备至少部分损坏时能够自我修复或自我复原的可修复的或可恢复的电学元件或设备。
背景技术
在现代社会中电学元件是普通物品，并且被用于广泛种类的各种行业和用途中。电学元件的一些例子为电线、电容、电感、晶体管和电阻器。电学元件被用于广泛的用途中，并且这些电学元件可能遭受由于机械力例如弯曲或局部变形导致的不同压力。
这些电学元件可能会由于施加在电学元件上的力而被损坏。该损坏可以包括电学元件的性质或功能，并且可以包括包含这些电学元件的系统的操作。
损坏的电学元件会需要昂贵的和花费时间的修理或更换。在一些例子(例如用在生命维持仪器中)，电学元件的损坏可能会对人类生命有潜在威胁。
发明内容
本发明广泛地涉及一种可修复的电学元件，当该电学元件部分地损坏时能够自我修复，或者提供了一种能够向大众提供一种有用的替换物的电学元件。
根据本发明第一方面涉及一种可修复的电学元件，该电学元件包括：一个或多个电极、一个柔韧外壳，所述一个或多个电极放置于所述柔韧外壳中，其中，所述可修复的电学元件被配置为当该可修复的电学元件或该可修复的电学元件的任意部分被部分地损坏时能够自我修复。
在一些具体实施方式中，所述电学元件被配置为当该电学元件部分损坏时能够机械上地自我修复和电学上地自我修复。在一些具体实施方式中，所述柔韧外壳被配置为当该外壳部分损坏时能够机械上地自我修复至重建完整的外壳，所述一个或多个电极配置为当该一个或多个电极部分损坏时能够电学上地自我修复以重建电学导电性。
在一些具体实施方式中，所述一个或多个电极包括铁磁性材料，该铁磁性材料提供给所述一个或多个电极以磁性性能，以使得当一个电极部分损坏或破损时，该电极可以通过磁性引力对齐。
在一些具体实施方式中，所述电学元件包括放置于所述柔韧外壳中的两个电极。
在一些具体实施方式中，所述两个电极以螺旋形排布，所述两个电极在所述螺旋形排布中相互隔开。
在一些具体实施方式中，所述一个或多个电极包括金属芯、置于所述金属芯表面的铁磁性材料层，以及包住位于所述金属芯和外层之间的所述铁磁性材料的外层。在一些具体实施方式中，所述外层包括聚吡咯材料。
在一些具体实施方式中，所述金属芯包括多个纤维，该纤维相互缠绕以形成一个整体结构。
在一些具体实施方式中，所述纤维由钢、不锈钢、铝和铜中的任意一种或其合金形成。
在一些具体实施方式中，所述铁磁性材料包括氧化铁。
在一些具体实施方式中，所述外壳包括聚氨酯基材料。
在一些具体实施方式中，所述外壳由聚氨酯或羧基化聚氨酯形成。
在一些具体实施方式中，所述外壳被配置为通过外壳相邻部分之间的静电键的重新形成以自我修复。
在一些具体实施方式中，所述外壳被配置为通过静电引力来重建外壳的物理结构以自我修复。
在一些具体实施方式中，所述电学元件包括在外壳内部、在电极之间的电解质材料，该电解质材料作为电极之间的隔离物。
在一些具体实施方式中，所述电解质材料为由聚乙烯醇磷酸凝胶(polyvinylalcohol phosphoric acid gel)形成的凝胶材料。
根据本发明第二方面涉及一种可修复的电学元件，包括：包含磁性材料和导电材料的一个或多个电极、包含聚合物材料的柔韧外壳，所述一个或多个电极放置于所述柔韧外壳中，所述电学元件被配置为当所述电学元件部分损坏时能够自我修复，其中，所述自我修复包括通过磁性引力以重建所述一个或多个电极的电学功能的所述一个或多个电极的修复，和通过静电引力以重建所述柔韧外壳的物理结构的所述柔韧外壳的修复。
在一些具体实施方式中，本发明涉及自我复原的电容器设备。
根据本发明第三方法提供了一种形成可修复的电学元件的方法，该方法包括以下步骤：形成一个或多个电极，该电极包括芯、铁磁性材料的中间层以及吡咯基材料界定的外层，所述外层包住芯和铁磁性材料，将所述一个或多个电极放置于电解质中，提供外壳以封装所述一个或多个电极和所述电解质，所述外壳由聚氨酯材料形成。
在一些具体实施方式中，所述电学元件包括以螺旋形排布的相互隔开放置的一对电极。
在一些具体实施方式中，形成所述电极的步骤还包括以下步骤：拧制牵引多个纤维以形成芯，通过微波辅助的水热法在所述芯上形成铁磁性材料的中间层，退火包括所述铁磁性材料的芯以将所述铁磁性材料固定在芯上以界定所述铁磁体材料，将吡咯基材料电解沉积到铁磁性材料上以界定外层。
在一些具体实施方式中，放置一个或多个电极的步骤还包括以下步骤：将所述一个或多个电极用电解质凝胶包裹，所述电解质凝胶包含聚乙烯醇磷酸凝胶，将所述电解质凝胶在真空下干燥。
在一些具体实施方式中，所述步骤外壳为羧基化聚氨酯材料，所述外壳通过模制过程形成。
在一些具体实施方式中，所述芯由不锈钢纤维形成，所述铁磁性材料为氧化铁，以及所述外层由聚吡咯材料形成。
根据本发明第四方法涉及一种可修复的电学元件，包括：至少一对电极，该电极包括不锈钢芯，该电极进一步包括在芯上的铁磁性材料层界定的中间层，以及吡咯基材料界定的外层，所述外层包住所述芯和所述中间层，聚乙烯醇磷酸凝胶电解质放置于电极对之间，聚氨酯外壳围绕着电极和电解质。
在一些具体实施方式中，所述不锈钢芯作为电荷收集器，所述芯由多个相互缠绕的纤维形成，所述芯通过拧制牵引多个纤维形成一个整体结构。
在一些具体实施方式中，所述电学元件能够自我修复，所述电极配置为自我修复以重建电学上和电化学上的功能，电极的自我修复被来自铁磁性材料的磁性引力促进。
在一些具体实施方式中，所述吡咯基材料为聚吡咯，所述聚吡咯用作电化学活性材料，聚吡咯材料在中间层上电沉积以界定外层，聚吡咯材料外层能减轻对中间层和芯的损坏，该外层能进一步防止铁磁性材料从芯上剥离。
在一些具体实施方式中，所述外壳包括羧基化聚氨酯材料，所述外壳配置为当存在损坏时通过在外壳相邻部分之间重建静电键以自我修复。
在一些具体实施方式中，所述聚乙烯醇磷酸凝胶电解质被配置为用作电极之间的隔离物，所述聚乙烯醇磷酸凝胶电解质被配置为提供一定程度的自我粘附性。
在一些具体实施方式中，超级电容器为可自我修复的，以使得在至少三次自我复原循环之后的具体电容量至少为40Fcm-2。
在一些具体实施方式中，超级电容器为可自我修复的，以使得在至少四次自我复原循环之后的电容量保持率为至少70％。
在本发明中，属于“包括”和它的变形，例如“包含”，具有与国际专利惯例一致的普遍含义。即，除了那些特别列举的，该词不排除另外的或未列举的要素、物质或方法步骤，因此，所描述的装置、物质或方法可能在各种具体实施方式中含有其他的要素、物质或步骤。本发明中所用的术语“包括”(以及它的语法上的变形)以“具有”和“包含”的共同意思使用，而不以“仅由……组成”的意思使用。
附图说明
虽然任意其他形式也可能落在本发明的范围内，优选的实施方式将仅通过实施例被描述，通过引用以下附图：
图1是显示可修复的电学元件特别是可自我修复的电学元件的图。
图2是形成所述可自我修复的电学元件的典型方法的示意图。
图3a示出所述可自我修复的电学元件的自我复原过程，特别地，图3a、3b、3c和3d示出自我复原过程发生在所述可自我修复的电学元件的电极上。
图3b示出所述可自我修复的电学元件的自我复原过程，特别地，图3a、3b、3c和3d示出自我复原过程发生在所述可自我修复的电学元件的电极上。
图3c示出所述可自我修复的电学元件的自我复原过程，特别地，图3a、3b、3c和3d示出自我复原过程发生在所述可自我修复的电学元件的电极上。
图3d示出所述可自我修复的电学元件的自我复原过程，特别地，图3a、3b、3c和3d示出自我复原过程发生在所述可自我修复的电学元件的电极上。
图4a示出所述可自我修复的电学元件的外壳的自我修复过程。
图4b示出所述可自我修复的电学元件的外壳的自我修复过程。
图4c示出所述可自我修复的电学元件的外壳的自我修复过程。
图4d示出所述可自我修复的电学元件的外壳的自我修复过程。
图5示出制造所述可自我修复的电学元件的示例方法的流程图。
图6a显示测试根据本发明的超级电容器的性能的试验结果。
图6b显示测试根据本发明的超级电容器的性能的试验结果。
图7示出根据本发明的超级电容器的机械性能的试验结果。
具体实施方式
电学的或电子的元件在现代社会中是普遍存在的，并被广泛用于各种运作中。例如电容器、超级电容器，电线、电阻器、晶体管和电感器的电学元件是现在使用的电学元件的一些例子。术语电学元件和电子元件是可以互换使用的术语。
可穿戴的电学或电子设备正变得更加普遍。可穿戴的电子设备是指纳入计算能力或计算设备和高级电子技术的服装和配件。这样的可穿戴的电子设备可以包括许多不同的电学或电子元件。可穿戴的电子设备的一些例子为智能眼镜、智能手表、可穿戴的摄像机和其他智能服装。由于可穿戴的电子设备的普及，可穿戴的能量存储设备愈加被需要。
超级电容器(supercapacitor)或超电容器(ultra-capacitor)为用于可穿戴电子设备上的能量存储设备的例子。超级电容器为具有高电容量的电容器。普遍的具有电容量高于在1.2伏特下800法拉。超级电容器每单位体积或质量通常比电解质电容器多储存10到100倍的能量。超级电容器可以比电池更快地接受和释放电荷，并且通常也可以比可再充电池忍受更多的充电和放电循环。超级电容器也可以作为能量来源或作为能量储存元件用于一些可穿戴电子设备中。
由于超级电容器所具有的高能量密度、快速充放电和长可循环使用期，超级电容器已经成为可穿戴设备中普遍使用的电学元件。虽然超级电容器现具有较小的体积并在可用于穿戴设备中，然而，在它们的生命循环中，这些微型电容器可能会遭受在弯曲或其他变形下的多种压力。这些压力是可穿戴电子(和超级电容器)在实际应用中的普遍问题。在使用过程中的这些压力会导致永久损坏或随着时间的机械失效。通常这些压力和机械失效或机械损坏是可穿戴电子设备不可避免的。这些不可避免的失效限制了超级电容器的寿命和可靠性，导致整个可穿戴电子设备的故障。
本发明提供了一种可以被广泛用于例如可穿戴电学或电子设备的运作中的可修复的电学元件。本发明进一步提供了一种被配置为当损坏或部分损坏时能够自我修复的可修复的电学元件。所述自我修复重建了所述电学元件的机械结构。所述自我修复进一步重建了电学功能和/或电化学功能，导致所述电学元件和可穿戴电子设备的长寿命。
本发明的一个方面涉及一种可修复的电学元件，该电学元件包括一个或多个电极、一个柔性外壳，所述一个或多个电极放置于所述柔性外壳内部，其中所述可修复的电学元件被配置为当该可修复的电学元件或该可修复的电学元件的任意部分被部分地损坏时能够自我修复。
本发明更进一步的方面涉及一种可修复的电学元件，包括包含磁性材料和导电材料的一个或多个电极、包含聚合物材料的柔韧外壳，所述一个或多个电极放置于所述柔韧外壳中，所述电学元件被配置为当所述电学元件部分损坏时能够自我修复，其中，所述自我修复包括通过磁性引力以重建所述一个或多个电极的电学功能和/或电化学功能的所述一个或多个电极的修复，和通过静电引力以重建所述柔韧外壳的物理结构的所述柔韧外壳的修复。
图1示出了一种可修复的电学元件。特别地图1示出了可修复的超级电容器100。该超级电容器100包括一对电极101a、101b。该电极101a、101b以螺旋形或双螺旋形排布。所述电极101a、101b具有相同大小和外形。所述电极101a、101b还具有相同的长度、直径和宽度。所述电极101a、101b的大小和结构被设置为柔软或柔韧的。所述电极101a、101b是长型的。
在图1示出的具体实施方式中，电极101a、101b包括圆形的横截面并且电极101a、101b的形状大致为圆柱形。在可选的具体实施方式中，电极101a、101b可以包括任意合适的横截面形状。例如电极101a、101b可以包括矩形、卵形、三角形、椭圆形或梯形的横截面。在可选的具体实施方式中，超级电容器100可以包括多于两个电极。
电极101a、101b互相分隔，在两个电极101a、101b之间有空间102。电极101a、101b包括多层。在图1示出的具体实施方式中，电极101a、101b包括三层。
电极101a、101b包括由金属形成的芯103，芯103形成内部的大部分或第一层。所述金属可以为任意合适的电活性或导电性的金属，例如钢、不锈钢、铝或铜。优选芯103包括不锈钢。
电极101a、101b进一步包括位于芯上的中间层或铁磁性材料的第二层104。所述铁磁性材料可以由任意磁性活性材料形成。优选所述铁磁性材料包括氧化铁(Fe3O4)。氧化铁(也称为磁铁矿)被优选使用，因为它显示出磁性(ferrimagnetic properties)，即磁特性(magnetic properties)。所述铁磁性材料可以选择地包括氧化亚铁或三氧化二铁。所述铁磁性材料位于金属芯103的表面。所述铁磁性材料形成为微米颗粒或纳米颗粒。如图1所示，所述铁磁性材料在金属芯103的表面形成铁磁性材料层104。铁磁性材料层104围绕金属芯103。术语铁磁性包括亚铁磁(ferromagnetic)和铁磁(ferromagnetic)特性。所述术语铁磁指的是呈现磁(magnetic)特性的材料。
电极101a、101b进一步包括由聚合物形成的外层或第三层105。在图1的具体实施方式中，外层105包括吡咯(pyrrole)基导电聚合物。外层105优选包括聚吡咯(polypyrrole)材料例如聚乙炔(polyacetylene.)。聚吡咯层105封装芯103和铁磁性层104。聚吡咯层105封装或围绕内部层103、104，以使得这些层的损坏被减少到最小。用于生成外层105的聚吡咯是电活性的，并且被设置为保持电荷。该导电聚合物层在超级电容器100中用作活性层。吡咯基导电聚合物可以形成为多孔(porous)层以为电极创造更大的表面积，以允许电极101a、101b保持更多量的电荷。外层105阻止铁磁性材料被损坏并阻止铁磁性材料颗粒被从电极上去除或剥离。
电极101a、101b被置于外壳106中。在示出的具体实施方式中，外壳106为柔韧的或灵活的外壳。外壳106由聚合物材料例如氨酯基(urethane based)材料或塑料材料制成。在图1示出的具体实施方式中，外壳106由聚氨酯形成。
图1中所示的标为X的面板显示电极101a、101b的细节视图。该标为X的面板显示电极的金属芯的放大视图。每个电极包括多个纤维107。特别地，电极101a、101b各自的芯103包括多个纤维107。纤维107由金属材料形成。纤维107紧密地包装在一起以界定实心体的芯103。纤维107优选拧成纱线状(yarn)以得到芯103。在图1的具体实施方式中，纤维被紧密地包装在一起并拧起来形成单个纱线结构。所述电极，特别是芯103，包括由包装在一起的多个纤维107形成的整体结构。纤维107优选在电极的纵轴绞合在一起，以形成编织结构(braided structure)。多个纤维107被加工成形以使得所述电极至少沿着纵向轴线灵活。缠绕的纤维107形成一个沿着纵向轴线灵活并且机械坚固的整体的、交织的结构。
纤维107在形状上是细长的。纤维107包括圆形横截面并且通常形状为圆柱形。纤维107沿着它们自己的纵向轴线灵活。纤维的直径小于20微米。优选纤维的直径小于15微米。芯103的直径根据需要的超级电容器或电学元件的尺寸形成。
图1中标为Y-Y的面板显示了图1所示的具体实施方式中的电极的横截面视图。横截面沿着线Y-Y截取。所示具体实施方式的横截面视图显示电极的三个层103、104和105。在该示出的具体实施方式中，铁磁性材料的第二层置于芯103的外表面。在图1所示的具体实施方式中，芯103包括交织成编织结构的多个纤维107。所述铁磁性材料104被置于界定为芯103的整体结构的外层区域的纤维的外表面上。如图1所示，铁磁性材料104层比导电聚合物的外层105更厚。铁磁性材料104是最厚的层以提供沿着芯103的更大的磁性引力，以维持芯的结构完整。在所示的具体实施方式中每一层有恒定的厚度。然而在可选的具体实施方式中，每一层可以具有围绕着芯103的不同厚度。
在可选的具体实施方式中，所述铁磁性材料可以置于每个纤维107上。所述铁磁性材料可以通过任意合适的工艺置于每个纤维107上。所述铁磁性材料在每个纤维107上形成中间层。在该可选的具体实施方式中吡咯基聚合物进一步置于每个纤维107上。所述吡咯基导电聚合物被置于铁磁性材料上以限定每个纤维107的外层。导电聚合物封装每个纤维107上的铁磁性材料。纤维107由不锈钢形成。
铁磁性材料104为芯103和纤维107提供磁性性能。特别地，当芯或纤维被损坏时，铁磁性层104提供磁性引力。当芯或纤维107出现破损时，在芯中铁磁性层104的存在使得芯103和纤维107的相邻部分被通过磁力相互吸引。该磁性吸引力提供给芯103以自我修复的能力以重建芯103或纤维107的电学功能和导电性。
所述超级电容器100进一步包括位于空间102中的隔离材料。该隔离材料108包括磷酸化合物。如图1的具体实施方式所示，所述隔离材料108包括聚乙烯醇(PVA)磷酸凝胶。所述隔离材料108用作隔离物和两个电极101a、101b之间的电解质。所述PVA磷酸凝胶进一步作为电绝缘体。所述PVA磷酸凝胶可以为固体并且在使用中自我粘附。在操作过程中，所述电极101a、101b通过电源例如通过电池或其他电学元件充电。当电极101a、101b充电时，电荷被电极的芯103承载。纤维107均作为独立的电荷承载者。当电极101a、101b充电时，相反的电荷在101a、101b中的任一电极中形成，即，在隔离材料108的任一侧形成双电层。
隔离材料108的厚度和尺寸以及空间102的尺寸可以为适应超级电容器功能需求的任意合适的尺寸。当隔离材料108损坏时，所述PVA磷酸凝胶108包括在机械上自我复原的能力。所述隔离材料通过在隔离材料108的两个受损部位之间重新建立静电键(例如氢键)而实现自我复原或自我修复。在所示的具体实施方式中，超级电容器100的形状大致上为圆柱形。电极101a、101b和外壳106为圆柱形。外壳106包括氨酯基材料。优选地所述外壳106由羧基化聚氨酯材料形成。所述外壳106为大致柔韧的以使得超级电容器100至少沿着它的纵向轴线上呈柔性。外壳106的羧基化聚氨酯材料提供外壳自我修复能力，以在外壳106损坏时能够重建机械上的和结构上的完整性。
当超级电容器100的一部分被损坏或部分地损坏时，该超级电容器100能够自我修复。磁性材料104使得芯103通过磁性引力自我修复，隔离材料108和外壳106通过重新建立静电键自我修复以重建外壳106和隔离材料108的结构完整性。
图2显示形成所述超级电容器100的方法的示意图。图2显示生成可修复的电学元件的一个流程的示例，所述电学元件在该示出的具体实施方式中为超级电容器100。
关于图2，步骤201包括生成芯103。所述芯103通过交织多个不锈钢纤维成一个整体结构而形成。所述纤维107被拧在一起形成纱线状的芯103。芯103通过拧制牵引技术(twist drawing technique)使得纤维107拧在一起形成芯103。芯103可以可选地使用任意清洁方法被清洁以准备芯表面103以接受铁磁性层。
在步骤202中，铁磁性层104通过在芯上生长铁磁性层104而在芯103上生成。在所示的具体实施方式中，芯103经过微波辅助的水热法(microwave-assisted hydrothermalprocess)以在芯103上生成磁性晶体(Fe3O4)。铁磁性层包括磁性颗粒。所述磁性颗粒为纳米颗粒。所述磁性颗粒以晶体态形成。所述微波辅助的水热法被控制以在芯103上生长合适量的磁性晶体。如示出的具体实施方式中所示，随着磁性晶体在芯103上生长，芯103的表面质地和颜色发生改变。芯103被进行退火以将磁性晶体固定到不锈钢芯103上。芯在至少220摄氏度下退火至少45分钟。更优选地，带有磁性晶体层104的芯103在在250摄氏度下退火60分钟。所述退火过程可以在其他温度范围和其他合适的时间范围下进行。一旦磁性颗粒在芯103上形成，芯103的表面具有粗糙的光洁度。
在步骤203中，生成聚吡咯的外层105。该聚吡咯材料通过电沉积过程沉积在退火过的芯103上。任意合适的电沉积过程可以被用于将聚吡咯沉积到退火后的芯103上。电沉积过程被控制以获得合适厚度的聚吡咯材料。优选地聚吡咯被静电沉积以使得在退火后的芯103上形成2微米厚的聚吡咯层。聚吡咯被电沉积以包裹住芯103和铁磁性材料层104，以使得所述铁磁性材料层104保持在芯103上。所述聚吡咯材料紧紧地包裹住磁性颗粒。所述紧紧包裹的聚吡咯形成保护层或壳层以阻止在超级电容器100的使用过程中磁性颗粒移动。在一些实施例或实施方式中，所述静电沉积过程可以被控制以获得聚吡咯的多孔层。在聚吡咯材料的沉积之后，电极的表面比磁性颗粒固定后更加光滑。
在步骤204中，两个电极101a、101b互相间隔放置并且以螺旋形式排布。电极101a、101b使用上面所描述的步骤201-203形成。电极101a、101b用隔离材料108包裹。电极101a、101b用聚乙烯醇(PVA)磷酸凝胶108包裹。所述PVC磷酸凝胶作为电解质和电极101a、101b之间的分隔物。所述PVC磷酸凝胶被加工以获得所需要的机械性能。电极101a、101b放置于隔离材料108中。
在步骤205中，外壳106在电极101a、101b和隔离材料108上形成。外壳106在隔离材料108的外表面形成。外壳106由柔韧材料形成从而能够与纤维织物兼容使用或者能够与可穿戴的电子设备兼容使用。在所示的具体实施方式中，外壳106由氨酯材料形成。优选所述外壳106由聚氨酯材料形成。更优选地所述外壳106由羧基化聚氨酯材料形成。所述外壳106通过滴铸的方法形成于隔离材料108的外表面。可选使用任意合适的模制方法例如共模制(co-moulding)或过模制(over-moulding)。
图3a、3b、3c和3d显示当电极101a、101b损坏时电极101a、101b的自我复原过程的图解。关于图3a，显示未损坏的超级电容器100。图3a显示细长形的超级电容器100，具有在外壳106中放置的螺旋分布的一对电极101a、101b并且所述电极被隔离材料108所分隔。
图3b显示损坏的超级电容器100。如上面所描述的，用于可穿戴设备的电学或电子元件会遭受各种压力和拉力从而导致损坏。图3b的实例显示超级电容器100的外壳和电极101a、101b被切断。图3b显示电极101a、101b的芯103破损。图3c显示损坏的芯103的细节视图。图3c显示纤维107被施加到超级电容器100上的力损坏和破损。该破损在图3b和图3d中以特征300表示。该破损可以为遭受电容器100上的力所带来的任意类型的破损。在所示的实施例中破损300为超级电容器的完全破损。该破损300包括外壳106和两个电极101a、101b的剪切。该破损300可以为外壳106或电极101a、101b的部分破损。
电极101a、101b包括铁磁性材料的中间层104。该铁磁性材料为芯103的破损部分提供磁性引力。箭头301和302显示芯103的破损部分之间的磁性引力。图3c显示纤维107之间的磁性引力。由于铁磁性材料层104的磁性引力使得芯103(和纤维107)相互对齐。磁性引力301和302使得纤维107相互重新连接并且重新形成芯103。磁性引力使得芯103的破损部分重新连接并且重建电连通。磁性引力使得电极101a、101b在电学上自我修复并且重建导电性、电功能和电极101a、101b的电荷传输能力。该磁性引力带来在完全破损情况下(例如破损300或甚至部分破损)芯103和纤维107的对齐连接。
图3d显示修复过的超级电容器100。作为该修复的一部分，外壳106进一步自我修复并且在破损300处重建外壳。外壳106的分离部分通过静电引力相互吸引。外壳106由能够在外壳破损的部分之间重建静电键(例如氢键)以重建外壳的物理结构的材料制成。外壳106的进一步细节和外壳的自我修复过程将参照图4a到图4d进行描述。
由于电极中的磁性引力和外壳106中的静电引力，所述超级电容器的修复为自我修复的过程。该修复被认为是自我修复是因为超级电容器100无需任何外部刺激来实现修复便可以修复自身。在破损的部位相互邻近时该自我修复会发生。只要待修复的电学元件(即在所示具体实施方式中的超级电容器100)的破损部分相互接近以使得磁力能够吸引电极的破损部分，并且使得静电键能够重新形成。
图4a至图4d显示所述可自我修复的电学元件的外壳106的自我修复过程的细节图示，特别是在超级电容器100中。为了便于说明，电极和电解质凝胶没有显示在图4a、4b、4c和4d中。为了便于说明外壳的自我修复功能，超级电容器100被显示为聚氨酯材料的固体块。
图4a显示为未损坏的超级电容器100。图4a显示外壳在结构上未破损。在所示的具体实施方式中外壳106由羟基化聚氨酯制成。图4b显示破损的外壳106。在使用过程中由于施加在超级电容器100上的力，所述外壳被切断或破损或剪断。切断后的破损区域400在图4b上显示出来。当破损时，外壳的破损部分通过静电引力重新形成。
在所示的实施例中，外壳106由羧基化聚氨酯材料形成。所述羧基化聚氨酯材料的有机链单元与氨酯链相连接。外壳106包括超分子的组装(assembly of supramolecules)从而通过可逆的氢键供体和受体形成链和交联。当外壳破损时，强的分子间氢键破开。氢键是指作为静电键并且带来静电引力的。在自我修复的过程中，氢键401在外壳的两个破损部分之间重新建立。在所示的实施例中，氢键在相应的破损部分上的羧基官能团402之间重新形成。相邻的羰基官能团402通过氢键供体和受体吸引到一起并且重新形成氢键。在某些实例中，所述自我复原可以通过加入水而被促进，例如大约200微升水可以促进外壳106的自我修复。
图4c显示破损区域400修复刚刚完成以后的外壳106。两个破损的部分通过氢键的重新形成而被吸引到一起并且重新形成为一个整体结构。当两个破损部分的位置大致互相相邻时以至于静电引力使得破损部分聚到一起，从而两个破损的部分可以自我复原。复原后的部分示为区域403。图4d显示外壳106的自我修复刚刚完成的例子。通过静电引力的静电键的重新形成留下破损的微小证明，即，外壳106的自我修复完成后会有微小标记和微小的表面变形。
图5显示制造所述可自我修复的电学元件的进一步的方法500。图5显示形成所述可自我修复的超级电容器100的示例方法的流程图。图5的方法是另一个典型的方法。在步骤501中，不锈钢纤维107被拧制牵引成缠绕的芯。芯(即纱线(yarn))被牵引成合适的长度，例如，芯在10cm-15cm之间。在步骤502中，将芯在丙酮和甲醇中进行超声处理至少20分钟。在步骤503中，在步骤502之后将芯用去离子水洗涤。在步骤504中，将芯用氯化铁和尿素的溶液浸泡至少20分钟但是优选至少30分钟。在一个实施例中，所述溶液由500mL氯化铁(FeCl2)和2.8g尿素制成。在步骤505中，在步骤504之后，将芯置于微波消解系统(microwave digestion system)中(例如MDS-6G，上海新仪微波化学科技有限公司制造)，并且在160摄氏度下加热至少20分钟但是优选30分钟。步骤505为微波辅助的水热法的一个例子。步骤505使得所述铁磁性材料的生长，在这个实例中所述铁磁性材料为磁铁矿。在步骤506中，所述芯被冷却至室温并且干燥。在步骤507中，将芯用去离子水和纯乙醇洗涤以除去芯上任意多余的磁铁矿。在步骤508中，将带有铁磁性材料的芯在250摄氏度下在气流中以5摄氏度每分钟的降温速度退火60分钟。在步骤509中，所述聚吡咯材料在上部的磁铁矿(即铁磁性材料)上面的芯的表面上电沉积。在沉积过程中使用常压0.8V。电沉积过程包括使用三个配套电极，其中退火后的芯为工作电极，铂线被用作对电极，以及银或氯化银被用作参考电极。聚吡咯被紧紧包覆在磁铁矿和不锈钢芯上以封装芯并形成电极的外层。
步骤501到509明确了形成电极的过程。使用方法步骤501到509形成一对电极。仍然关于图5，方法讲到步骤510。在步骤510中，这对电极被聚乙烯醇(PVA)磷酸凝胶电解质包覆。在步骤511中，被包覆的电极在室温下真空干燥。在步骤512中，这对电极被拧成螺旋排布。在步骤513中，在步骤512之后，螺旋的电极排布被另一层PVA磷酸凝胶包覆。在步骤514中，拧起来的电极排布再次在真空下干燥。在步骤515中，聚氨酯外壳在电解质凝胶上面形成。所述超级电容器100使用如上面描述的参照图5的方法500形成。
上述的可修复的电学元件100是有优势的，因为当损坏时它可以自我修复以重建功能和减少更换元件的需要。参照图示描述的超级电容器100是有优势的因为芯是由不锈钢纤维形成。所述纤维提供好的导电性、抗腐蚀性和热稳定性。芯103由多个纤维107形成，紧紧地包成纱线或芯，也为芯提供灵活性。芯因而超级电容器的灵活性特性可以用在可穿戴电子元件上并与传统的纤维共同使用。有多个纤维107形成的芯也增大了电极的表面积并且允许电极101承载更大量的电荷。这使所述超级电容器在更广泛的实践中使用例如作为可穿戴的能量存储设备或者作为可穿戴的电源。
由羟基化聚氨酯形成的外壳106是有优势的，因为外壳是可自我修复的。外壳106的自我修复性能是有优势的，因为当外壳损坏时该外壳可以重建结构。传统的超级电容器通常不包括羧基化聚氨酯外壳，从而不能够自我修复。该自我修复通过在外壳的相邻部分之间重新形成静电键从而提供机械性能(例如拉伸强度和杨氏模量)的重建。所述自我修复使得机械性能在多次自我修复循环之后稳定保持，带来更坚固(robust)的外壳和从而更坚固的电学元件。
铁磁性材料对纤维107和/或芯103的应用促进了芯103的自我修复。通常使破损的纤维或破损的芯的部分准确地在物理上再次连接是非常困难的。进一步地在现有技术的超级电容器中，如果电极的芯或部分被损坏了则整个设备都需要被更换。由于铁磁性材料(例如磁铁矿)的存在由于磁性引力，上述的超级电容器100可以在电极破损的部分之间重建连接。芯或纤维的破损部分被自动的重新对其和重新连接。在多次复原循环之后电功能可以恢复是个优势。
可自我修复的外壳106与可自我修复的电极101a、101b的结合使功能相结合以获得可自我修复的电学元件。由于可自我修复的性能，所述可自我修复的电学元件提供了具有更长操作寿命的更坚固的元件。
发明人测试了超级电容器100的性能，特别地发明人测试了超级电容器100的许多性能参数。发明人使用方法500或其他类似的方法制造超级电容器100。在制成之后发明人通过切断损坏了超级电容器100并在超级电容器自我修复之后测试了多个性能参数。发明人重复损坏和自我修复的过程多次并测定了多个性能参数。图6a和图6b显示在多次损坏和自我修复的循环之后超级电容器的比电容和电容量保持率。
图6a显示很多自我修复循环之后的比电容量测定值。电极101a、101b的电容量通过在0V到1V之间的不同电流密度下进行恒电流充电/放电测试进行评估。比电容可以通过在0V到1V的电压窗口下的循环伏安曲线进行估算。从图6a中可以看出多次自我修复(即复原)循环之后的比电容。所述比电容在10mVs-1下大约为60mFcm-2。比电容在3次修复循环后降低并且在4次修复循环之后大致保持不变。需要强调的是在多次切断/复原之后比电容仍然保持在较高的程度。图6a显示在4次切断/复原循环之后比电容仍然维持在44.1mFcm-2。图6b显示电容量保持率的多个点。电容量保持率在多次充电/放电循环后保持大致恒定。图6b显示损坏超级电容器100之前的电容保持率和四次复原循环之后的电容保持率。电容保持率被测定了1000次充电/放电循环。从图6b可以看出，四次复原之后电容量保持率在相对较高的水平上，但是低于未受损坏的超级电容器100的电容量保持率。四次损坏/复原循环后的电容量保持率仍然为大约70％。该比电容和电容量保持率的结果较高是因为破损的电极由于电极破损部分之间的磁性引力而自我修复。外壳的自我复原能力也与电极的电自我修复协同作用以得到改进的可修复的电学元件。
图7显示了在复原循环之前和之后的所述可修复的超级电容器100的机械性能。发明人进行试验测定了破损之前和多次损坏/复原循环之后的超级电容器100的机械性能。从图7中可以看出在第一次复原过程之后机械性能(拉伸强度和杨氏模量)有突然的降低。这是由于电极和聚氨酯外壳之间的强度差引起的。在切断/复原循环之前，高的杨氏模量和拉伸强度是归功于电极的高机械性能，然而在第一次切断/复原循环之后，机械强度(即，至少拉伸强度和杨氏模量)由外壳贡献。磁性引力促进电极的重新连接但是仅在有限的程度下促进机械性能。发明人测定出在第一次电极的破损之后，不同破损/复原循环的机械性能由于聚氨酯外壳的自我修复而被保持。图7的结果显示，由于多次破损/复原循环之后机械性能大致保持恒定，因此外壳的自我修复在发生。
以下是多种技术特征的可选实施方式的描述。
在一种可选的具体实施方式中，可修复的电学元件为导体例如电线。在进一步可选的具体实施方式中，所述可修复的电学元件为感应器或其他包括一个或多个电极的电子元件。在本说明书中所描述的电极指的是能够导电并能够储存电荷的元件。在可选的实施方式中，所述可修复的电学元件包括一个电极或一个导体。本发明的教导可以应用于制备其他合适的可自我修复的电学元件。
在一种可选的具体实施方式中，所述外壳可以由热塑性塑料材料例如聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、尼龙、聚碳酸酯或聚丙烯，或者任何合适的成型后柔韧的热塑性塑料材料制成。在进一步可选的具体实施方式中，所述外壳可以由任意合适的在使用中大致柔韧的氨酯基材料形成。在一种可选的实施方式中，所述外壳可以由合适的塑料聚合物例如热塑性塑料弹性体形成。在一些具体实施方式中，所述外壳可以在使用中大致较硬。
在可选的具体实施方式中，所述铁磁性材料可以包括铁、镍或钴，或它们的组合或合金。在可选的具体实施方式中，电极的外层可以包括任意其他合适的导电聚合物例如聚苯胺、聚苯乙炔或聚噻吩。在进一步可选的具体实施方式中，电极的外层可以包括其他合适的导电材料例如金属或金属合金。
任意这些可选的具体实施方式的描述都应认为是示例。在可选的具体实施方式中任意可选的实施方式和特征都可以相互结合使用或与图中所描述的具体实施方式结合使用。
上述仅描述了本发明优选的实施方式，并且本领域技术人员可以在不偏离本发明的范围的情况下做出显而易见的变形。虽然本发明已经参照许多优选的实施方式进行了描述，但是可以理解的是，本发明可以以许多其他的形式体现。

Claims (33)

1.一种可修复的电学元件，包括：
一个柔韧外壳，以及
一个或多个电极，放置于所述柔韧外壳中，
其中，所述一个或多个电极中的每一个电极包括：
金属芯，
置于所述金属芯上的铁磁性材料层，以及
包住所述铁磁性材料层的外层，
其中，所述可修复的电学元件被配置为当该可修复的电学元件的任意部分被部分地损坏时能够自我修复。
2.根据权利要求1所述的可修复的电学元件，其中，当所述可修复的电学元件被部分地损坏时，所述可修复的电学元件被配置为能够机械上地自我修复和电学上地自我修复。
3.根据权利要求1所述的可修复的电学元件，其中，当所述柔韧外壳被部分地损坏时，所述柔韧外壳被配置为能够机械上地自我修复至重建完整的柔韧外壳；以及其中当所述一个或多个电极被部分地损坏时，所述一个或多个电极被配置为能够电学上地自我修复以重建电学导电性。
4.根据权利要求1所述的可修复的电学元件，其中，所述铁磁性材料提供给所述一个或多个电极以磁性性能，以使得当所述一个或多个电极中的任意一个电极部分损坏或破损时，所述部分损坏或破损的电极能够通过磁性引力对齐。
5.根据权利要求1所述的可修复的电学元件，其中，所述多个电极为两个电极。
6.根据权利要求5所述的可修复的电学元件，其中，所述两个电极相互隔开并以螺旋形排布。
7.根据权利要求1所述的可修复的电学元件，其中，所述外层包括聚吡咯材料。
8.根据权利要求1所述的可修复的电学元件，其中，所述金属芯包括相互缠绕以形成一个整体结构的多个纤维。
9.根据权利要求8所述的可修复的电学元件，其中，所述纤维由以下任意一种或其合金形成：
a.钢，
b.不锈钢，
c.铝，
d.铜。
10.根据权利要求1所述的可修复的电学元件，其中，所述铁磁性材料包括氧化铁。
11.根据权利要求1所述的可修复的电学元件，其中，所述柔韧外壳包括聚氨酯基材料。
12.根据权利要求1所述的可修复的电学元件，其中，所述柔韧外壳由聚氨酯形成。
13.根据权利要求1所述的可修复的电学元件，其中，所述柔韧外壳由羧基化聚氨酯形成。
14.根据权利要求1所述的可修复的电学元件，其中，所述柔韧外壳被配置为通过柔韧外壳相邻的损坏或破损的部分之间的静电键的重新形成以自我修复。
15.根据权利要求1所述的可修复的电学元件，其中，所述柔韧外壳被配置为通过静电引力来重建所述柔韧外壳的物理结构以自我修复。
16.根据权利要求1所述的可修复的电学元件，还包括在所述柔韧外壳内部、在所述一个或多个电极之间的电解质材料。
17.根据权利要求16所述的可修复的电学元件，其中，所述电解质材料为由聚乙烯醇磷酸凝胶形成的凝胶材料。
18.一种自我复原的电容器设备，包括权利要求1-17中任一项所述的可修复的电学元件。
19.根据权利要求18所述的自我复原的电容器设备，其中，所述自我复原的电容器设备为可自我修复的超级电容器，以使得在至少三次自我复原循环之后的具体电容量至少为40Fcm-2。
20.根据权利要求18所述的自我复原的电容器设备，其中，所述自我复原的电容器设备为可自我修复的超级电容器，以使得在第四次自我复原循环之后的电容量保持率至少为70％。
21.一种可修复的电学元件，包括：
包含聚合物材料的柔韧外壳；以及
包含磁性材料和导电材料的一个或多个电极，
所述一个或多个电极被放置于所述柔韧外壳中，
其中，所述可修复的电学元件被配置为当所述可修复的电学元件部分损坏时能够自我修复，
其中，所述自我修复包括：
通过磁性引力以重建所述一个或多个电极的电学功能的所述一个或多个电极的修复，和
通过静电引力以重建所述柔韧外壳的物理结构的所述柔韧外壳的修复。
22.一种形成可修复的电学元件的方法，该方法包括以下步骤：
形成一个或多个电极，该一个或多个电极包括芯、设置在所述芯上的铁磁性材料的中间层以及吡咯基材料的外层，所述外层包住芯和铁磁性材料的中间层，
将所述一个或多个电极放置于电解质中，
提供外壳以封装所述一个或多个电极和所述电解质，所述外壳由聚氨酯材料形成。
23.根据权利要求22所述的形成可修复的电学元件的方法，其中，所述一个或多个电极包括相互隔开放置并且以螺旋形排布的一对电极。
24.根据权利要求22所述的形成可修复的电学元件的方法，其中，形成所述一个或多个电极的步骤还包括：
拧制牵引多个纤维以形成芯，
通过微波辅助的水热法在所述芯上形成铁磁性材料的中间层，
用铁磁性材料对所述芯退火以将所述铁磁性材料固定在芯上以界定所述铁磁体材料的中间层，以及
将吡咯基材料电解沉积到铁磁性材料的中间层上以界定外层。
25.根据权利要求22所述的形成可修复的电学元件的方法，其中，将所述一个或多个电极放置于电解质中的步骤还包括以下步骤：
将所述一个或多个电极用电解质凝胶包裹，所述电解质凝胶包含聚乙烯醇磷酸凝胶，以及
将所述电解质凝胶在真空下干燥。
26.根据权利要求22所述的形成可修复的电学元件的方法，其中，所述外壳由羧基化聚氨酯材料通过模制过程形成。
27.根据权利要求22所述的形成可修复的电学元件的方法，其中，所述芯由不锈钢纤维形成，所述铁磁性材料为氧化铁，以及所述基于吡咯的材料是聚吡咯材料。
28.一种可修复的电学元件，包括：
至少两个电极，每个电极包括：
不锈钢芯，
在所述不锈钢芯上的铁磁性材料层界定的中间层，以及
吡咯基材料界定的外层，所述外层包住所述不锈钢芯和所述中间层，聚乙烯醇磷酸凝胶电解质放置于所述至少两个电极之间；以及
聚氨酯外壳围绕着所述至少两个电极和所述聚乙烯醇磷酸凝胶电解质；
其中，所述可修复的电学元件是可自我修复的。
29.根据权利要求28所述的可修复的电学元件，其中，所述不锈钢芯被设置为收集电荷，所述不锈钢芯由多个相互缠绕的纤维形成，所述不锈钢芯通过拧制牵引多个纤维形成一个整体结构。
30.根据权利要求28所述的可修复的电学元件，其中，所述至少两个电极配置为自我修复以重建电学上和电化学上的功能，通过所述铁磁性材料的磁性引力促进所述至少两个电极的自我修复。
31.根据权利要求28所述的可修复的电学元件，其中，所述吡咯基材料为聚吡咯，所述聚吡咯在中间层上电沉积，其中所述外层被设置为减轻对中间层或不锈钢芯的损坏，并能防止所述铁磁性材料从所述不锈钢芯上剥离。
32.根据权利要求28所述的可修复的电学元件，其中，所述聚氨酯外壳包括羧基化聚氨酯材料；当被损坏时，所述聚氨酯外壳被配置为通过在聚氨酯外壳相邻损坏部分之间的重建静电键而自我修复。
33.根据权利要求28所述的可修复的电学元件，其中，所述聚乙烯醇磷酸凝胶电解质被配置为用作所述至少两个电极之间的隔离物，所述聚乙烯醇磷酸凝胶电解质被配置为提供一定程度的自我粘附性。
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