CN108538599A - 新型储能皮革及基于该皮革的储能器件 - Google Patents

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邹冰花
李盛
吴健生
郑冰
张伟娜
吴建红
朱靖宇
许雪娇
张帆
张一帆
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    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/004Details
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Abstract

本发明公开了一种新型储能皮革,包括皮革本体和储电材料,所述储电材料与所述皮革本体复合。该新型储能皮革,利用了皮革的柔性、可穿戴性以及内部具有的多级结构与导电材料和电活性材料相结合,该皮革制备方法简单,生产成本低廉,过程设备简单且与传统皮革加工工艺相匹配,可以用来制备柔性储电器件。

Description

新型储能皮革及基于该皮革的储能器件
技术领域
本发明涉及一种新型储能皮革及基于该皮革的储能器件。
背景技术
随着可穿戴、可弯曲、柔性的电子产品的发展,能为其提供高能量、高功率的柔性储能器件得到越来越广泛的关注和研究,用以适应其在不同应用领域的需求。超级电容器具有能量高效利用方面的独特优势,已成为研究热点之一。当前超级电容器亟待解决的关键问题是其能量密度低,特别是在高功率、大电流工作时的能量密度衰减迅速,难以满足市场需求。
研发高性能的柔性储能器件的核心是寻找新型电极材料、设计和组装新型的电池,实现其作为柔性电子器件的电源系统必须具备轻、薄、柔的基本特性。目前的柔性储能器件主要以聚合物材料为基底来实现它的柔性,但是在实现长时间的、舒适的可穿戴方面还存在一定的困难,需要寻求新的基底材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型储能皮革及基于该皮革的储能器件,解决上述现有技术问题中的一个或者多个。
本发明提供新型储能皮革,包括皮革本体和储电材料,所述储电材料与所述皮革本体复合。
在一些实施方式中,皮革本体为蓝湿皮、天然革、合成革或人造革中的一种。
在一些实施方式中,储电材料为导电材料或具有电化学活性材料中的一种或多种。
在一些实施方式中,导电材料为碳基材料、金属纳米材料、非金属纳米材料、导电聚合物、导电墨水的一种或多种,所述碳基材料包括碳纳米管及其衍生物、石墨烯及其衍生物,所述金属纳米材料包括金纳米线、银纳米线、铜纳米线、纳米金,所述非金属纳米材料包括硅纳米线,所述导电聚合物包括聚吡咯及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚噻吩及其衍生物。
其中,碳基材料、金属纳米材料、非金属纳米材料、导电聚合物等导电材料,都是采用成熟的现有技术合成或者商业购买。
具体的,碳基材料为碳纳米管及其衍生物、石墨烯及其衍生物等,如酸化碳纳米管和氧化石墨烯;金属纳米材料为金纳米线、银纳米线、铜纳米线或纳米金等零维、一维以及二维的纳米材料;非金属纳米材料为硅纳米线、有机半导体纳米线等;导电聚合物为聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等及其衍生物,导电墨水为市售的导电墨水。
优选的,导电材料为碳纳米管及其衍生物、金属纳米线、石墨烯及其衍生物
在一些实施方式中,导电材料为碳纳米管衍生物或石墨烯衍生物,优选为酸化碳纳米管、氧化石墨烯;或者导电材料是导电聚合物,如聚吡咯及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚噻吩及其衍生物。其中,导电聚合物在混合过程中在皮革上直接原位合成。比如,聚吡咯的合成方式为,将单体吡咯的溶液倒在皮革上,待皮革完全浸没后,加入三氯化铁水溶液,在冰水浴中反应完全后,进行抽滤并冲洗干净,得到在皮革上直接原位聚合的聚吡咯。
由于皮革本体具有的官能团羧基、氨基、羟基、巯基、双硫键等,上述的导电材料,碳纳米管衍生物、石墨烯衍生物或者原位合成的导电聚合物,可以通过化学键或者氢键等的分子间相互作用力与皮革本体结合在一起,或者通过静电吸附与皮革本体结合在一起,以增强导电材料与皮革本体的结合,进一步解决由于导电材料脱落导致功能化丧失的问题。
在一些实施方式中,具有电化学活性材料为金属氧化物、导电聚合物、包括金属氧化物的复合材料或包括导电聚合物的复合材料。其中,金属氧化物为MnO2、铁钴镍系列的氧化物等;导电聚合物为PEDOT纳米线、PANI、PPy等。
在一些实施方式中,复合的方法为机械搅拌、浸渍、抽滤、涂覆、喷涂、打印或转鼓混合中的一种。
具体的,比如抽滤:将皮革本体裁剪至砂芯漏斗直径大小相匹配,置于砂芯漏斗上,用循环水泵对导电材料配制的溶液抽滤,通过控制抽滤的次数,即控制每块皮革上面导电材料的质量,最后通过清洗、烘干。
其中,转鼓混合方式与传统皮革加工工艺相适应,大大降低了生产成本,同时提高了生产效率。
基于皮革的储能器件,包括两张上述新型储能皮革,上述新型储能皮革通过固态聚合物电解质粘接组成储能器件。
在一些实施方式中,固态聚合物电解质为PVA-H2SO4或PVA-H3PO4
新型储能器件应用于可穿戴电子设备或柔性机器人。
本发明的有益效果:
本发明实施例制备的新型储能皮革以及器件,利用了皮革的柔性、可穿戴性以及内部具有的多级结构与导电材料和电活性材料相结合,皮革制备方法简单,生产成本低廉,过程设备简单且与传统皮革加工工艺相匹配的方法,可以用来制备柔性储电器件。且该皮革及其器件可被应用于柔性电子领域,如:可穿戴电子设备、柔性机器人等。
附图说明
图1为实验例1皮革本体的照片图;
图2为实验例1皮革本体用PEDOT纳米线处理后的照片图;
图3为实验例2皮革本体用单壁碳纳米管处理后的照片图;
图4为实验例2中储能皮革器件在三电极体系下的循环伏安图;
图5为实施例2中储能皮革器件在三电极体系下的充放电图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下实施例只是用于更加清楚地说明本发明的性能,而不能仅局限于下面的实施例。
实施例1:基于导电聚合物的储能皮革的制备
剪取与砂芯漏斗直径大小相匹配的二层牛皮,如图1所示,用循环水泵进行抽滤。取实验室合成的乙醇分散的PEDOT纳米线水溶液(0.2mg/mL),倒入砂芯漏斗,抽滤。完成后,用去离子水冲洗,揉搓,去掉没有与皮革结合的纳米线。最后置于60℃的烘箱干燥,得到基于导电聚合物PEDOT的储能皮革,如图2所示。
实施例2:基于碳基材料的储能皮革的制备
剪取与砂芯漏斗直径大小相匹配的二层牛皮,用循环水泵进行抽滤。取商业购买的单壁碳纳米管,用表面活性剂F-127分散成溶度为0.2mg/mL的水溶液倒入砂芯漏斗,抽滤。完成后,用去离子水冲洗,揉搓,去掉没有与皮革结合的碳纳米管。最后置于60℃的烘箱干燥,得到基于碳纳米管的储能皮革,以备后续测试使用,如图3所示。
储能皮革器件的制备
取实施例2中制备的储能皮革将其裁剪成1cm×5cm大小的样品。取实验室制备的固态聚合物电解质(PVA/H3PO4),将其涂在已裁剪的两个样品表面,将其粘合在一起,得到储能器件。
性能测试
利用电化学工作站对实施例2中制备的储能皮革进行性能表征,将其接入电路中,在三电极体系下,铂片作为对电极,银/氯化银作为参比电极,0.5M的硫酸作为电解液,测试电流-电压曲线和充放电曲线。
在电压窗口为0~1V时,分别以5mV、10mV和100mV的扫速,测试它的循环伏安曲线。如图4所示,随着扫描速度的逐渐增大,循环伏安曲线的面积也有规律的增大。
在电压为0~1V时,测试它的充放电曲线,如图5所示,该器件能进行稳定的恒流充放电,证明制备的皮革确实具有储电能力。
本发明提供的实施方案新型储能皮革利用了皮革的柔性、可穿戴性以及内部具有的多级结构与导电材料和电活性材料相结合,该皮革通过固态聚合物电解质粘接得到的储能器件,具有储电能力,可被制备成柔性电容器,应用于可穿戴电子设备等。
且本实施方案与现有技术中其他制备方法相比,本方法操作简单,过程设备简单,生产成本低廉且与传统皮革加工工艺相匹配,同时避免了在应用过程中导电材料脱落导致电学性能变化的问题。
以上表述仅为本发明的优选方式,应当指出,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些也应视为本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.新型储能皮革,其特征在于,包括皮革本体和储电材料,所述储电材料与所述皮革本体复合。
2.根据权利要求1所述的新型储能皮革,其特征在于,所述皮革本体为蓝湿皮、天然革、合成革或人造革中的一种。
3.根据权利要求1所述的新型储能皮革,其特征在于,所述储电材料为导电材料或具有电化学活性材料中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的新型储能皮革,其特征在于,所述导电材料为碳基材料、金属纳米材料、非金属纳米材料、导电聚合物、导电墨水的一种或多种,所述碳基材料包括碳纳米管及其衍生物、石墨烯及其衍生物,所述金属纳米材料包括金纳米线、银纳米线、铜纳米线、纳米金,所述非金属纳米材料包括硅纳米线,所述导电聚合物包括聚吡咯及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚噻吩及其衍生物。
5.根据权利要求4所述的新型储能皮革,其特征在于,所述导电材料为碳纳米管衍生物、石墨烯衍生物、聚吡咯及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚噻吩及其衍生物。
6.根据权利要求3所述的新型储能皮革,其特征在于,所述具有电化学活性材料为金属氧化物、导电聚合物、包括金属氧化物的复合材料或包括导电聚合物的复合材料中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的新型储能皮革,其特征在于,所述复合的方法为机械搅拌、浸渍、抽滤、涂覆、喷涂、打印或转鼓混合中的一种。
8.基于皮革的储能器件,其特征在于,包括两张权利要求1至7中任一权利要求所述的新型储能皮革,所述新型储能皮革通过固态聚合物电解质粘接组装成器件。
9.根据权利要求8所述的新型储能器件应用于可穿戴电子设备或柔性机器人。
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