CN109065372A - 一种全固态柔性超级电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全固态柔性超级电容器及其制备方法。本发明以叶绿素铜钠作为导电聚合物，制备叶绿素铜钠电极材料，并组装制成超级电容器。其中叶绿素铜钠作为可食用色素，作为超级电容器的电极材料完全绿色环保，且来源非常丰富，成本较低。
Description
技术领域
本发明属于储能技术领域，涉及一种全固态柔性超级电容器及其制备方法，尤其涉及一种基于叶绿素铜钠作为电极材料的新型超级电容器。
背景技术
在影响超级电容器的性能因素中，电极材料是最关键的因素，它是电极存储电荷产生电容的物质基础，其自身的电化学性能直接影响到超级电容器的电化学性能。目前用于超级电容器电极的材料主要分为三类，包括：炭电极材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。其中，研究最早、应用最广泛的电极材料是炭电极材料，包括活性炭粉末、活性炭纤维、碳纳米管、炭气凝胶等。这也是超级电容器电极材料领域的研究热点。而过渡金属氧化物因具有高比电容、优良的电子导电性能以及氧化和还原反应在结构和化学上是可逆的等优点受到研究者的关注。导电聚合物是一种新型的超级电容器电极材料，其优点在于可通过设计聚合物的结构，选取合适的高分子链段，来提高电容器的整体性能。目前常用的导电聚合物电极材料的主要有聚苯胺（PANI）、聚吡咯（Ppy）、聚噻吩及其衍生物。
超级电容器用碳材料虽然己经成功地实现了商业化，但还存在很多问题,如制备工艺条件苛刻、产率低、成本高等需要得到进一步改进多孔碳材料的体积比容量和稳定性有待提高另外还需要改善材料的自身结构降低碳电极材料的内阻。导电聚合物是一种新型的超级电容器电极材料，其优点在于可通过设计聚合物的结构，选取合适的高分子链段，来提高电容器的整体性能。导电聚合物由于其分子特性，其导电性并不出色。目前常用的导电聚合物电极材料的主要有聚苯胺（PANI）、聚吡咯（Ppy）、聚噻吩及其衍生物。而许多过渡金属氧化物如氧化钉，氧化钒等，本身具有毒性，会造成超级电容器的安全隐患，同时也不符合未来绿色环保材料与器件的发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于叶绿素铜钠作为电极材料的新型超级电容器。其中叶绿素铜钠作为可食用色素，作为超级电容器的电极材料完全绿色环保，且来源非常丰富，成本较低。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于叶绿素铜钠作为电极材料的新型超级电容器的制备方法，包括以下步骤：
（1）将叶绿素铜钠和粘结剂PVDF溶于有机溶剂中，搅拌均匀后，得到电极浆料；
（2）将上述叶绿素铜钠浆料涂于集电极金属片上，并烘干，制得叶绿素铜钠电极；
（3）将电解质溶液涂于叶绿素铜钠电极上并半晾干，按照叶绿素铜钠电极片、隔膜、叶绿素铜钠电极片的顺序将它们叠放在一起，形成一个超级电容半成品；
（4）上述半成品超级电容器继续晾干，用PET塑料膜对其进行封装。
这样，以叶绿素铜钠为电极材料的柔性对称固态超级电容器便制作完成。
上述步骤（1）中所述的有机溶剂是NMP。
上述步骤（1）中所述的叶绿素铜钠和粘结剂PVDF是按8.5:1.5的质量比混合。
上述步骤（2）中所述的集电极金属片是铜箔、铝箔、泡沫镍、泡沫铜中的任意一种。
上述步骤（2）中所述的烘干温度介于室温～100℃之间。
上述步骤（3）中所述的电解质为KOH-PVA混合物或者H2SO4-PVA混合物。
上述步骤（3）中所述的电解质溶液中，酸性H2SO4与PVA溶液的质量比为5：4；碱性KOH与PVA溶液的质量比为1.05：1。
本发明拓展了叶绿素铜钠的应用领域，使其在柔性超级电容器领域具有潜在的应用价值，其显著优点在于：
（1）本发明电极材料采用叶绿素铜钠作为原料，其作为可食用色素，作为超级电容器的电极材料完全绿色环保，
（2）叶绿素铜钠来源非常丰富，成本较低。制作电极片的工艺也比较简单，制备成本低。
附图说明
图1为本发明的超级电容器的结构示意图；
其中，标记1为隔膜；2为电解质，3为电极。
图2为实施例中制备的超级电容器的恒流充放电曲线。
图3为实施例中制备的超级电容器的循环伏安曲线。
具体实施方式
为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
所使用的叶绿素铜钠电极的制备，其具体工艺如下：
（1）将叶绿素铜钠和粘结剂PVDF按照8.5:1.5的质量比称取，并倒入小烧杯中。滴入适量的有机溶剂NMP，磁力搅拌约4小时。
（2）将泡沫镍按照2cm×2cm的规格剪裁，从角落引出两条作为电极接触。
（3）将搅拌均匀的浆料取出，用涂膜器将浆料均匀地涂敷在泡沫镍上，将电极放置于100 ℃的真空干燥箱中烘干，取出即可作为电极材料使用。
基于叶绿素铜钠电极的超级电容器制作过程如下：
1）将4g PVA加入到40mL的超纯水中，在机械搅拌下升温到95℃，继续搅拌，直至溶液澄清，呈现透明凝胶状态。
2）将4.2g KOH加入到10mL的超纯水中并磁力搅拌直至溶液澄清。将KOH溶液缓慢滴至上述PVA溶液中，并搅拌均匀。
3）将上述KOH-PVA溶胶涂于叶绿素铜钠电极上，并半晾干。
4）裁剪隔膜，根据叶绿素铜钠电极片的形状，裁剪出形状相同的隔膜。
5）按照叶绿素铜钠电极片、隔膜、叶绿素铜钠电极片的顺序将它们叠放在一起，形成一个超级电容半成品，继续晾干。
6）取出后，用PET塑料膜对其进行封装。
这样，以叶绿素铜钠为电极材料的柔性对称固态超级电容器便制作完成。
实施例2
所使用的叶绿素铜钠电极的制备，其具体工艺如下：
（1）将叶绿素铜钠和粘结剂PVDF按照8.5:1.5的质量比称取，并倒入小烧杯中。滴入适量的有机溶剂NMP，磁力搅拌约4小时。
（2）将泡沫镍按照2cm×2cm的规格剪裁，从角落引出两条作为电极接触。
（3）将搅拌均匀的浆料取出，用涂膜器将浆料均匀地涂敷在泡沫镍上，将电极放置于100 ℃的真空干燥箱中烘干，取出即可作为电极材料使用。
基于叶绿素铜钠电极的超级电容器制作过程如下：
1）将8g PVA和5.7 mL H2SO4加入到110mL的超纯水中，放入水浴锅中，机械搅拌下升温到90℃，然后保温，直至PVA完全溶解且溶液澄清，呈现透明凝胶状态。取出冷却至室温。
2）将上述H2SO4-PVA混合液中涂于叶绿素铜钠电极片上，半晾干。
3）按照叶绿素铜钠电极片、隔膜、叶绿素铜钠电极片的顺序将它们叠放在一起，形成一个超级电容半成品，继续晾干。
4）取出后，用PET塑料膜对其进行封装。
这样，以叶绿素铜钠为电极材料的柔性对称固态超级电容器便制作完成。
以实施例1中所示制作完成的超级电容为例，其测试的电学性能见图2恒流充放电曲线及图3循环伏安曲线。由图2可见，充放电曲线都为较规则的等腰三角形，电压和时间有着良好的线性关系，表现出固态器件良好的电容特性，适合用作超级电容器的电极材料。图3的循环伏安特性是在20 mV/S的扫描速率下测试的，扫描范围在 电压0-0.8 V之间。从图3中曲线可以看出，循环伏安曲线基本是矩形窗口，且没有氧化还原峰的出现，说明该叶绿素铜钠基超级电容器的主要电容量是由双电层提供的，赝电容几乎不起作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种全固态柔性超级电容器，其特征在于：以叶绿素铜钠作为导电聚合物，制备叶绿素铜钠电极材料，并组装制成超级电容器。
2.一种制备如权利要求1所述的一种全固态柔性超级电容器的方法，其特征在于：所述的制备工艺包括如下步骤：
（1）将叶绿素铜钠和粘结剂PVDF溶于有机溶剂中，搅拌均匀后，得到电极浆料；
（2）将上述叶绿素铜钠浆料涂于集电极金属片上，并烘干，制得叶绿素铜钠电极；
（3）将电解质溶液涂于叶绿素铜钠电极上并半晾干，按照叶绿素铜钠电极片、隔膜、叶绿素铜钠电极片的顺序将它们叠放在一起，形成一个超级电容半成品；
（4）上述半成品超级电容器继续晾干，用PET塑料膜对其进行封装，则基于叶绿素铜钠为电极的超级电容器制作完成。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的有机溶剂是NMP。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的叶绿素铜钠和粘结剂PVDF是按8.5:1.5的质量比混合。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的集电极金属片是铜箔、铝箔、泡沫镍、泡沫铜中的任意一种。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的烘干温度介于室温～100 ℃之间。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤（3）中所述的电解质为KOH-PVA混合物或者H2SO4-PVA混合物。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤（3）中所述的电解质溶液中，酸性H2SO4与PVA溶液的质量比为5：4；碱性KOH与PVA溶液的质量比为1.05:1。
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