CN107086129A - 高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜及其制备方法，属于复合材料加工技术领域。所述高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜，由以下重量份的组分组成：PEDOTs:PSS 10～30份、金属氧化物0.1～0.6份、有机溶剂300～800份，所述柔性自支撑复合膜的厚度为2.0～10微米。本发明提供的PEDOTs:PSS复合膜具有高柔性、高机械性能、高能量密度、高充放电稳定性的特点。

Description

高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料加工技术领域，特别是指一种高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜及其制备方法。
背景技术
随着穿戴式或便携式电子器件的发展，柔性材料在该领域有着潜在的应用前景。为了保障柔性电子器件的良好运行，其供能器件不仅要能提供足够的功率密度和能量密度，还需具备良好的柔性、循环稳定性和重量轻等特点。高性能柔性超级电容器同时兼具高能量密度、高功率密度、瞬间大电流充放电、使用寿命长等特点，并易与便携式电子器件集成。因此，在柔性电子器件中，高性能柔性超级电容器是一种具有应用潜力的供能器件。
柔性膜电极材料是制备高性能柔性超级电容器的关键。目前，柔性膜电极材料诸如碳基材料、金属氧化物、导电聚合物及它们的复合物等需要使用柔性载体和非导电聚合物粘结剂，这些载体如PET、碳布、镍泡沫或金属箔片在整个电极中占据质量分数很高，而非导电粘结剂如PAMPA、聚乙烯醇等降低电极的导电性，从而降低了器件的整体性能。PEDOT:PSS具有高的导电率、环境稳定性和成膜能力，是一种商业化的导电聚合物，固含量为0.6％～5.0％，PEDOT与PSS的质量比为5:8～1:20，其中PEDOT为3,4-乙撑二氧噻吩单体的聚合物，作为掺杂剂、分散剂和成膜剂的PSS为聚苯乙烯磺酸盐。涂覆在柔性碳布上的PEDOT:PSS的能量密度和功率密度不高，其比电容约为31F/g，能量密度仅为3.5Wh/kg。虽然专利文献CN105405977A使用抽滤法制备了自支撑PEDOT:PSS膜，但其比电容也仅为50F/g，这很难满足高性能超级电容器供能的要求，同时，专利公布的抽滤法制备自支撑PEDOT:PSS膜的方法涉及到浓硫酸危险溶剂以及多步骤繁琐工序。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制备简单、成本低廉、易剥离、适用于大规模工业化生产的高储能柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一方面，提供一种高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜，由以下重量份的组分制成：PEDOTs:PSS 10～30份、金属氧化物0.1～0.6份、有机溶剂300～800份。
进一步的，所述高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜，由以下重量份的组分制成：PEDOTs:PSS 15～25份、金属氧化物0.2～0.4份、有机溶剂450～650份。
进一步的，所述高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜的厚度为2.0～10微米，优选3.5～7.0微米。
进一步的，所述PEDOTs:PSS的质量比为1:10～1，所述PEDOTs为PEDOT、羟甲基PEDOT或氯甲基PEDOT。
进一步的，所述金属氧化物为二氧化钌、二氧化锰、四氧化三钴、五氧化二钒、四氧化三钼、三氧化钼、三氧化钨中的一种或多种。
进一步的，所述有机溶剂为异丙醇、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、2-甲基咪唑中一种或多种。
另一方面，本发明还提供上述高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜的制备方法，包括：
步骤1：将有机溶剂与PEDOTs:PSS在一定重量比条件下搅拌混合，超声脱气后，获得PEDOTs:PSS有机混合溶液；
步骤2：向所述步骤1制备的PEDOTs:PSS有机混合溶液中加入一定重量比的金属氧化物，超声后获得均匀悬浮液；
步骤3：将所述步骤2制备的悬浮液真空抽滤，抽滤完后将滤膜放在水中使PEDOTs:PSS复合膜和PVDF滤膜分开，真空干燥PEDOTs:PSS复合膜，得到柔性自支撑PEDOTs:PSS复合膜。
其中，所述步骤1中，有机溶剂与PEDOTs:PSS的重量比为10～60:1，搅拌时间为10～30min，超声脱气时间为0.5～1min。
其中，所述步骤2中，PEDOTs:PSS水溶液与金属氧化物的重量比为15～100:1，超声20～30min。
其中，所述步骤3中，真空抽滤使用孔径小于0.5微米的PVDF滤膜；真空干燥温度为80～140℃，干燥时间为12～48h。
本发明具有以下有益效果：
与现有技术相比，本发明通过把PEDOTs:PSS水溶液转化为PEDOTs:PSS有机混合溶液，在制备PEDOTs:PSS/金属氧化物有机混合溶液，最后抽滤得到复合膜，该复合膜很容易从滤膜上完整剥离，厚度可为2～10微米，具有很强的机械性、自支撑性和高柔韧性，能长期浸泡在液体中保持完整。将本发明制备的柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜应用于柔性超级电容器中时，表现出很高的比电容(可达到420～600F/g)、高的倍率性能(可达85％以上)、能量密度可达到26～70Wh/kg、以及很高的充放电稳定性(5000次保持率达到90％以上)，在柔性超级电容器中具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的制备工艺流程图；
图2为实施例1的柔性自支撑PEDOT:PSS/RuO2复合膜的数码照片图；
图3为实施例1的柔性自支撑PEDOT:PSS/RuO2复合膜的表面形貌图；
图4为实施例1的制备的超级电容器件在不同充放电条件下的电容值；
图5为实施例1的制备的超级电容器件的能量密度与功率密度曲线图；
图6为实施例1的制备的超级电容器件的充放电稳定性。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有技术中机械性能差，不易从载体上剥离、电容等性能差的问题，如图1所示，提供一种高储能柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜及其制备方法。
实施例1
高储能柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜，由以下重量份的组分制成：PEDOT:PSS(质量比2:5)水溶液20份、二氧化钌0.26份、二甲亚砜溶剂600份。
制备方法包括：
步骤1：将二甲亚砜与PEDOT:PSS水溶液以30:1重量比条件下搅拌混合，超声脱气1min后，获得PEDOT:PSS有机混合溶液；
步骤2：将所述步骤1制备的PEDOT:PSS有机混合溶液中加入二氧化钌0.26份，超声后获得均匀悬浮液；
步骤3：将所述步骤2制备的悬浮液真空抽滤，抽滤完后将滤膜放在水中使PEDOT:PSS复合膜和PVDF滤膜分开，100℃真空干燥24h，得到柔性自支撑PEDOT:PSS复合膜。
经测定该高储能柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜的平均厚度为4.9微米；由图2所示，该复合膜具有柔韧性和可折叠性；由图3所示，该复合膜中金属氧化物颗粒均匀分布在PEDOT:PSS膜中；由图4所示，该复合膜在电流密度为1A/g下的比电容值为540F/g，随着电流密度增加到10A/g时，比电容值为508F/g，倍率性能为94％；由图5所示，该复合膜的能量密度可达到67Wh/kg；由图6所示，该复合膜在5000次循环条件下，稳定性达到92％。
实施例2
高储能柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜，由以下重量份的组分制成：羟甲基PEDOT:PSS(质量比1:3)水溶液18份、三氧化钨0.2份、N-甲基吡咯烷酮溶剂600份。
制备方法包括：
步骤1：将N-甲基吡咯烷酮溶剂与羟甲基PEDOT:PSS水溶液以100:3重量比条件下搅拌混合，超声脱气1min后，获得羟甲基PEDOT:PSS有机混合溶液；
步骤2：将所述步骤1制备的羟甲基PEDOT:PSS有机混合溶液中加入三氧化钨0.2份，超声后获得均匀悬浮液；
步骤3：将所述步骤2制备的悬浮液真空抽滤，抽滤完后将滤膜放在水中使羟甲基PEDOT:PSS复合膜和PVDF滤膜分开，80℃真空干燥48h，得到柔性自支撑羟甲基PEDOT:PSS复合膜。
经测定该高储能柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜的平均厚度为4.2微米，该复合膜具有柔韧性和可折叠性，在电流密度为1A/g下的比电容值为420F/g，随着电流密度增加到10A/g时，比电容值为370F/g，倍率性能为88％，能量密度为42Wh/kg，5000次循环条件下，稳定性达到91％。
实施例3
高储能柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜，由以下重量份的组分制成：氯甲基PEDOT:PSS(质量比1:5)水溶液20份、三氧化钼0.1份、四氧化三钴0.15份、异丙醇溶剂500份。
制备方法包括：
步骤1：将异丙醇溶剂与氯甲基PEDOT:PSS水溶液以25:1重量比条件下搅拌混合，超声脱气1min后，获得氯甲基PEDOT:PSS有机混合溶液；
步骤2：将所述步骤1制备的氯甲基PEDOT:PSS有机混合溶液中加入三氧化钼0.1份、四氧化三钴0.15份，超声后获得均匀悬浮液；
步骤3：将所述步骤2制备的悬浮液真空抽滤，抽滤完后将滤膜放在水中使氯甲基PEDOT:PSS复合膜和PVDF滤膜分开，120℃真空干燥20h，得到柔性自支撑PEDOTs:PSS复合膜。
经测定该高储能柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜的平均厚度为5.2微米，该复合膜具有柔韧性和可折叠性，在电流密度为1A/g下的比电容值为510F/g，随着电流密度增加到10A/g时，比电容值为459F/g，倍率性能为90％，能量密度为48Wh/kg，5000次循环条件下，稳定性达到93％。
实施例4
高储能柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜，由以下重量份的组分制成：氯甲基PEDOT:PSS(质量比1:7)水溶液25份、四氧化三钼0.3份、二甲基甲酰胺150份、2-甲基咪唑150份。
制备方法包括：
步骤1：将二甲基甲酰胺和2-甲基咪唑与氯甲基PEDOT:PSS水溶液以6:6:1重量比条件下搅拌混合，超声脱气30s后，获得氯甲基PEDOT:PSS有机混合溶液；
步骤2：将所述步骤1制备的氯甲基PEDOT:PSS有机混合溶液中加入四氧化三钼0.3份，超声后获得均匀悬浮液；
步骤3：将所述步骤2制备的悬浮液真空抽滤，抽滤完后将滤膜放在水中使氯甲基PEDOT:PSS复合膜和PVDF滤膜分开，140℃真空干燥12h，得到柔性自支撑PEDOTs:PSS复合膜。
经测定该高储能柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜的平均厚度为5.6微米，该复合膜具有柔韧性和可折叠性，在电流密度为1A/g下的比电容值为540F/g，随着电流密度增加到10A/g时，比电容值为508F/g，倍率性能为94％，能量密度为39Wh/kg，5000次循环条件下，稳定性达到92％。
实施例5
高储能柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜，由以下重量份的组分制成：PEDOT:PSS(质量比1:1)水溶液20份、五氧化二钒0.1份、二氧化锰0.1份、三氧化钼0.1份、二甲亚砜溶剂250份、异丙醇溶剂300份。
制备方法包括：
步骤1：将异丙醇与PEDOT:PSS水溶液以15:1重量比条件下搅拌混合，超声脱气45s后，获得PEDOT:PSS有机混合溶液；
步骤2：将所述步骤1制备的PEDOT:PSS有机混合溶液中加入五氧化二钒0.1份、二氧化锰0.1份、三氧化钼0.1份，超声后获得均匀悬浮液；
步骤3：将所述步骤2制备的悬浮液真空抽滤，抽滤完后将滤膜放在水中使PEDOT:PSS复合膜和PVDF滤膜分开，140℃真空干燥12h，得到柔性自支撑PEDOT:PSS复合膜。
经测定该高储能柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜的平均厚度为4.5微米，该复合膜具有柔韧性和可折叠性，在电流密度为1A/g下的比电容值为590F/g，随着电流密度增加到10A/g时，比电容值为520F/g，倍率性能为88％，能量密度为62Wh/kg，5000次循环条件下，稳定性达到91％。
由于篇幅所限，为了进一步说明本发明的有益效果，仅以实施例4为例，构建相关的对比例。
对比例1
该对比例中，不含金属氧化物，其余组分、含量及制备方法均与实施例4相同。
经测定该柔性自支撑PEDOTs:PSS膜的平均厚度为2微米，该膜的柔韧性和可折叠性较好，然而该膜的储能低，在电流密度为1A/g下的比电容值为40F/g，随着电流密度增加到10A/g时，比电容值为32F/g，倍率性能为80％，能量密度为3Wh/kg，1000次循环条件下，稳定性达到80％。
对比例2
该对比例中，不含有机溶剂，其余组分、含量及制备方法均与实施例4相同。
经测定该柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜的平均厚度为5.2微米，该复合膜的柔韧性和可折叠性较差，且不易剥离，膜的储能较低，在电流密度为1A/g下的比电容值为181F/g，随着电流密度增加到10A/g时，比电容值为142F/g，倍率性能为78％，能量密度为21Wh/kg，1000次循环条件下，稳定性达到83％。
对比例3
该对比例中，金属氧化物为氧化锌，其余组分、含量及制备方法均与实施例4相同。
经测定该柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜的平均厚度为4.8微米，该复合膜具有好的柔韧性和可折叠性，然而膜的储能较低，在电流密度为1A/g下的比电容值为267F/g，随着电流密度增加到10A/g时，比电容值为194F/g，倍率性能为73％，能量密度为27Wh/kg，1000次循环条件下，稳定性达到88％。
对比例4
该对比例中，有机溶剂为乙二醇，其余组分、含量及制备方法均与实施例4相同。
经测定该柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜的平均厚度为4.5微米，该复合膜具有良好的柔韧性和可折叠性，然而膜的储能不高，在电流密度为1A/g下的比电容值为210F/g，随着电流密度增加到10A/g时，比电容值为160F/g，倍率性能为76％，能量密度为20Wh/kg，1000次循环条件下，稳定性达到85％。
对比例5
该对比例中，各组分及其含量与实施例4相同。
制备方法包括：
步骤1：将0.3份四氧化三钼与25份氯甲基PEDOT:PSS水溶液搅拌混合，超声脱气30s后，获得氯甲基PEDOT:PSS金属氧化物混合溶液；
步骤2：将所述步骤1制备的氯甲基PEDOT:PSS金属氧化物混合溶液中加入150份二甲基甲酰胺和150份2-甲基咪唑，超声后获得均匀悬浮液；
步骤3：将所述步骤2制备的悬浮液真空抽滤，抽滤完后将滤膜放在水中使氯甲基PEDOT:PSS复合膜和PVDF滤膜分开，140℃真空干燥12h，得到氯甲基PEDOT:PSS复合膜。
经测定该氯甲基PEDOT:PSS/金属氧化物复合膜的平均厚度为5.5微米，该复合膜具有柔韧性和可折叠性，在电流密度为1A/g下的比电容值为489F/g，随着电流密度增加到10A/g时，比电容值为421F/g，倍率性能为86％，能量密度为25Wh/kg，5000次循环条件下，稳定性达到82％。
该对比例与实施例中的产品存在较大的性能差异，发明人认为可能导致该差异的主要原因为不溶于水的金属氧化物颗粒先加入到氯甲基PEDOT:PSS水溶液中，氯甲基PEDOT:PSS与金属氧化物颗粒之间产生吸附包裹作用，再加入有机溶剂，一定程度上很难使氯甲基PEDOT的构象发生变化，导电性能不高，从而进一步的影响了产品的储能性能。在实施例中，先加入的有机溶剂与氯甲基PEDOT:PSS相互作用后改变了氯甲基PEDOT的结构构象，从而大大提高氯甲基PEDOT:PSS的导电性能，再与金属氧化物混合制备出的复合膜性能优良。
与对比例1-5相比，本发明提供的高储能柔性自支撑PEDOTs:PSS/金属氧化物复合膜比电容可达到420～600F/g、85％以上的倍率性能、能量密度可达到39～70Wh/kg，且充放电稳定性优异(5000次保持率达到90％以上)，在柔性超级电容器中具有良好的应用前景。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜，其特征在于，由以下重量份的组分制成：PEDOTs:PSS水溶液10～30份、金属氧化物0.1～0.6份、有机溶剂300～800份。
2.根据权利要求1所述的高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜，其特征在于，由以下重量份的组分制成：PEDOTs:PSS水溶液15～25份、金属氧化物0.2～0.4份、有机溶剂450～650份。
3.根据权利要求1或2所述的高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜，其特征在于，所述高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜的厚度为2.0～10微米。
4.根据权利要求3所述的高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜，其特征在于，所述PEDOTs:PSS的质量比为1:10～1，所述PEDOTs为PEDOT、羟甲基PEDOT或氯甲基PEDOT。
5.根据权利要求3所述的高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜，其特征在于，所述金属氧化物为二氧化钌、二氧化锰、四氧化三钴、五氧化二钒、四氧化三钼、三氧化钼、三氧化钨中的一种或多种。
6.根据权利要求3所述的高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜，其特征在于，所述有机溶剂为异丙醇、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、2-甲基咪唑中一种或多种。
7.权利要求1-6任一所述的高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：将有机溶剂与PEDOTs:PSS水溶液在一定重量比条件下搅拌混合，超声脱气后，获得PEDOTs:PSS有机混合溶液；
步骤2：向所述步骤1制备的PEDOTs:PSS有机混合溶液中加入一定重量比的金属氧化物，超声后获得均匀悬浮液；
步骤3：将所述步骤2制备的悬浮液真空抽滤，抽滤完后将滤膜放在水中使PEDOTs:PSS复合膜和PVDF滤膜分开，真空干燥PEDOTs:PSS复合膜，得到柔性自支撑PEDOTs:PSS复合膜。
8.根据权利要求7所述的高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，有机溶剂与PEDOTs:PSS水溶液的重量比为10～60:1，搅拌时间为10～30min，超声脱气时间为0.5～1min。
9.根据权利要求7所述的高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，PEDOTs:PSS水溶液与金属氧化物的重量比为15～100:1，超声20～30min。
10.根据权利要求7所述的高储能自支撑PEDOTs:PSS复合膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，真空抽滤使用孔径小于0.5微米的PVDF滤膜；真空干燥温度为80～140℃，干燥时间为12～48h。
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