CN109192521B - 一种柔性电极及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性电极及其制备方法和应用。电极的组分按重量份包括聚偏氟乙烯40‑90份、导电碳材料10‑30份、活性物质0.001‑20份、聚乙二醇5‑30份,本发明的柔性电极具有可卷曲折叠、可自导电、具有超级电容特性、可根据需要在酸性/碱性/中性的环境使用、成本低、易工业化、容易制作成可穿戴设备、可回收、电容量大小可变的特点。
Description
技术领域
本发明公开一种柔性电极及其制备方法和应用。
背景技术
可穿戴设备被称为人们的第二层皮肤,在我们身体之外,具有接受我们主动被动输入指令信号的功能,实现功能化、智能化的作用,给我们的生产生活等各个方面带来了很多的便利,是现在电子元器件发展的热点,随着经济的发展和人们生活水平的不断提高,对随身穿戴设备的需求越来越多,越来越高,对可穿戴设备的便利性、安全性、制造工艺、生产成本提出了更高的要求。
作为可穿戴设备的重要部件,柔性电极,其材质也是各种各样,结构形式也是多种多样。但总体来说,目前可穿戴设备的材料都普遍存在着原料成本贵(如使用金铂钌铑等贵金属或稀土元素,或者不易回收重复使用),制造成本高(如石墨烯)、生产过程复杂等特点,基于这样原因更多的还是停留在实验室阶段,或高端的特殊的使用领域。
目前通常采用80-90%的活性物质添加5-10%的粘结剂(如PVDF、PTFE等)和5-10%的导电碳材料用溶剂涂抹在集流体(比如金属箔片、碳布等)上制作柔性电极及其相关超级电容器制作。
另外文献CN 107316752A公开了一种二氧化锰/碳纳米管修饰石墨烯纸电容器电极的制备方法,使用PVDF包容石墨烯成导电薄膜后再电沉积碳纳米管、纳米二氧化锰的方法,制成柔性超级电容器电极。文献中先是使用昂贵的制造成本且产生大量酸碱废弃物的还原氧化石墨烯制备纸电容器电极,由于浸润性的问题,封固于PVDF内的石墨烯还主要是起导电作用,也仅得到主要是导电功能的塑料薄膜,高昂的石墨烯并不能得到有效利用,只有位于表层的石墨烯才体现了超电的作用;接着使用电沉积的方法在表面得到纳米二氧化锰/碳纳米管,一是这方法也仅限于实验室操作;二是这种方法得到得这层碳纳米管和二氧化锰位于电极外部,不受保护如果作为柔性电极,折叠、卷曲或摩擦这是很经常的操作,可以预见其表面的活性物质容易受损脱落。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供了一种成本低廉、原料来源广泛,制造过程简单,不易损坏,便于工业放大的柔性电极,及其制作方法和应用,解决了上述背景技术中的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供了一种柔性电极,包括电极片和导线,所述电极片按重量份包括如下组分:
聚偏氟乙烯40-90份;
导电碳材料10-30份,所述导电碳材料包括乙炔黑、细石墨粉、碳纳米管中的至少一种:
活性物质0.001-20份,所述活性物质为导电聚合物或金属氧化物;所述导电聚合物包括聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯及其衍生物中的至少一种;所述金属氧化物包括铁的氧化物、锰的氧化物中的至少一种:
聚乙二醇5-30份。
在本发明一较佳实施例中,所述导线包括金属导线、碳纤维导线。
本发明还提供了一种柔性电极的制备方法,包括如下步骤:
(1)浆料的制备:取聚偏氟乙烯40-90份、导电碳材料10-30份、活性物质0.001-20份、聚乙二醇5-30份,粉碎制成混合粉末;倒入溶剂,所述固体粉末与溶剂的比例为1g:2-30mL,经加热、搅拌、超声震荡,得到均匀的浆料;所述溶剂包括二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的至少一种。
(2)将上述浆料加热烘干制成电极片,将导线与电极片固定连接完成柔性电极的制备。
在本发明一较佳实施例中,所述步骤(1)中加热至55-85℃,经搅拌、超声震荡15-25分钟,得到均匀的浆料。
在本发明一较佳实施例中,所述步骤(2)中将上述浆料均匀浇筑在平板面上,加热至50-110℃,等溶剂挥发干后形成薄膜,揭下薄膜,裁剪成需要的形状;将裁剪好的电极片使用粘接或热熔的方法和金属导线或碳纤维连接,得到柔性电极。
在本发明一较佳实施例中,所述用于粘接的粘结剂包括所用的溶剂和导电银浆。
在本发明一较佳实施例中,所述步骤(2)中将上述浆料均匀浇筑在嵌入有金属导线或碳纤维导线的模具内,加热至50-110℃,等溶剂挥发干后揭下薄膜,得到柔性电极。
本发明的一种柔性电极作为集流体,在超级电容器中的应用。
本发明的一种柔性电极,在可穿戴设备中的应用。
目前与柔性电极相关的超级电容器制作通常方法为:80-90%的活性物质添加5-10%的粘结剂(如PVDF、PTFE等)和5-10%的导电碳材料用溶剂涂抹在集流体(比如金属箔片、碳布等)上,而本发明突破常规方法,通过倒转比例,让粘结剂成为主体材料,获得柔性基材,且有一定的机械强度,在其中添加相当比例的导电碳材料,让这种柔性基体具有导体的性能,然后借用有赝电容性质的活性物质的电容性质,少量添加即可让电极获取到了感应电荷变化的能力,实现可穿戴设备所需要的感应电荷变化的功能,但是仅仅是这样还很难能够获取更好的电容能力,因为聚偏氟乙烯(PVDF)和碳材料亲水性不好,浆料浇筑成片后,包裹于片材内部的活性物质不能够很好的接触到电解液,造成了活性物质几乎得不到有效利用,所以在这基础上通过多次试验,发现添加一定量的聚乙二醇后,基体材料就具有了很好的亲水性,并且由于聚乙二醇和PVDF、导电碳存在一定的不相容性,所以基体材料在微结构上有一定的裂缝和空洞,使得电解液可以进入柔性电极内部,从而可以有效地利用到所添加的活性物质所具有的容量,其效果参见附的电镜和接触角图片。这样方法制成的柔性电极自身为支持材料且自身可传输电流,将不再需要专门的集流体,只需在端头和导线连接,连到外接电路上。
通过本发明方法制备的电极具有如下的特点:
1、电极片可实现自支撑,柔软可卷曲、折叠,可耐受一定程度的摩擦,并具有超级电容器的性能,能进行电荷的充放电,可根据需要,增加活性物质比例,电极容量最高可以轻松达到百F/g数量级的容量;电极片电阻低(例如0.1mm厚度电极片的电导率根据需求,可达0.1-10S/CM的数量级),自身即为集流体,可独立传输电流,不需要再配集流体,只需在端头连接金属或碳纤维、碳纸等导线。
2、电极的厚度大小可以根据需要自由调节,从几微米到毫米级均可,还可根据场合,电极形状可以进行任意裁切;可以用模具进行浇筑任意形状。
3、PVDF和导电碳材料具有优良的化学惰性,工作环境根据需要可以选择酸性、碱性、中性介质。
4、本发明的柔性电极在超级电容器中的应用的柔性电极主材实质为一种活性物质的包容器,可以容纳多种活性物质,即基本上可以用于做超级电容器的活性物质都可以添加于其中,灵活性高,包容性好。
5、电极可以回收再次利用。
6、柔性电极在进行折叠、弯曲摩擦时,大部分的活性物质即使松动也还是位于电极内部,不会造成有效容量的损失。
本发明创造的有益效果:
1、原料为极为普通常见的材料、制作过程也简单,但是所制成的塑料薄片却有优良的柔韧性、具有导电和电容性质,可以有不小的电容量,可以感应出电荷的变化,非常适合基于柔性电极的可穿戴设备。
2、原料分别为常见普通的塑料、导电碳材料、高分子导电聚合物、金属氧化物,成本极低,极易制备,完全具备工业化的条件。
3、可以根据需要选择高分子导电聚合物或金属氧化物以及其它具有赝电容的物质作为活性物质,适应性更强。
4、加工方法为最简单的混合、溶解、加热、超声粉碎,蒸发溶剂、粘结也为很简单的工业操作方式。
5、使用的溶剂为常用的有机溶剂,成分单一,使用过程并无发生其它化学变化,完全可以重复回收利用。即使使用了导电银浆、金浆等作为粘结剂,也可以方便的使用溶剂加以回收。
6、电极片不符合要求或发生一定的损坏,可以用溶剂溶解后再次回收重新利用。
7、电极配方中使用了聚乙二醇(PEG),极大增加了电极的润湿性,让电解液可以浸入内部,使得电极内部的电容得以充分使用,能让电极片可以实现十F/g到百F/g的电容密度。
附图说明
图1为本发明对比例1中PVDF和乙炔黑的接触角示意图。
图2为本发明实施例1中PVDF、乙炔黑和PEG的接触角示意图。
图3为本发明对比例1中PVDF和乙炔黑的300倍电镜图。
图4为本发明实施例1中PVDF、乙炔黑和PEG的300倍电镜图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的一种柔性电极,包括电极片和导线,包括如下组分:
PVDF:乙炔黑:聚苯胺:聚乙二醇的重量比为60:18:2:20;
本实施例一种柔性电极的制备方法为:
把上述物质共1克称好、研磨后加入10mL的DMF,装入玻璃瓶中密闭、加入磁子、搅拌、加热到60℃,超声震荡20分钟,得到一个均匀的浆状混合料,在平的加热板上放一块直径10cm的玻璃培养皿,加热温度90℃,过10-20分钟,溶剂蒸干后,即可得到一块具有导电、柔性的、有电容性质的电极塑料薄膜。对其进行裁剪成需要的形状,并且用导电银浆粘结上碳纤维线、或者用热熔的方法焊接上碳纤维线。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于不添加聚乙二醇。请查阅图1-4,电极配方中使用了PEG,极大增加了电极的润湿性,让电解液可以浸入内部,使得电极内部的电容得以充分使用,能让电极片可以实现十F/g到百F/g的电容密度。
实施例2
本实施例的一种柔性电极,包括电极片和导线,包括如下组分:
PVDF:碳纳米管:纳米二氧化锰粉末:聚乙二醇的重量比为65:14:1.5:19.5。
本实施例一种柔性电极的制备方法为:
把上述物质共0.15克称好、研磨后加入2.0mL的NMP,装入玻璃瓶中密闭、加入磁子、搅拌、加热到60℃,超声震荡20分钟,得到一个均匀的浆状混合料,在平的加热板上放4个连续电极形状的不锈钢槽,加热温度110℃,过3分钟,把数根碳纤维线嵌入快干的粘稠浆中,继续加热,等溶剂完全蒸干后,裁剪后,即可得到4个具有柔性的、可导电的、有电容性质的塑料薄膜电极。
本发明还包括将上述实施例中的柔性电极作为集流体,在超级电容器中的应用。此柔性电极的主材实质为一种活性物质的包容器,可以容纳多种活性物质,即基本上可以用于做超级电容器的活性物质都可以添加于其中,灵活性高,包容性好。
本发明还包括将上述实施例中的柔性电极应用于可穿戴设备中。
以上所述,仅为本发明较佳实施例而已,故不能依此限定本发明实施的范围,即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰,皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种柔性电极,包括电极片和导线,其特征在于,所述电极片按重量份由如下组分组成:
聚偏氟乙烯40-90份;
导电碳材料10-30份,所述导电碳材料包括乙炔黑、细石墨粉、碳纳米管中的至少一种:
活性物质0.001-20份,所述活性物质为导电聚合物或金属氧化物;所述导电聚合物包括聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯及其衍生物中的至少一种;所述金属氧化物包括铁的氧化物、锰的氧化物中的至少一种:
聚乙二醇5-30份。
2.根据权利要求1所述的一种柔性电极,其特征在于:所述导线包括金属导线或碳纤维导线。
3.一种柔性电极的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)浆料的制备:取聚偏氟乙烯40-90份、导电碳材料10-30份、活性物质0.001-20份、聚乙二醇5-30份,粉碎制成混合粉末;倒入溶剂,所述混合粉末与溶剂的比例为1g:2-30mL,经研磨、加热、搅拌、超声震荡,得到均匀的浆料;所述溶剂包括二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的至少一种;
(2)将上述浆料加热烘干制成电极片,将导线与电极片固定连接完成柔性电极的制备。
4.根据权利要求3所述的一种柔性电极的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中加热至55-85℃,经搅拌、超声震荡15-25分钟,得到均匀的浆料。
5.根据权利要求3所述的一种柔性电极的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中将上述浆料均匀浇筑在平板面上,加热至50-110℃,等溶剂挥发干后形成薄膜,揭下薄膜,裁剪成需要的形状;将裁剪好的电极片使用粘接或热熔的方法和导线连接,得到柔性电极。
6.根据权利要求5所述的一种柔性电极的制备方法,其特征在于:用于粘接的粘结剂包括所述溶剂和导电银浆。
7.根据权利要求3所述的一种柔性电极的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中将上述浆料均匀浇筑在嵌入有金属导线或碳纤维导线的模具内,加热至90-110℃,等溶剂挥发干后揭下薄膜,得到柔性电极。
8.如权利要求1所述一种柔性电极,在超级电容器中的应用。
9.根据权利要求8所述的一种柔性电极,其特征在于:将柔性电极自身可作为集流体。
10.如权利要求1所述一种柔性电极,在可穿戴设备中的应用。
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