CN109887757A - 一种一体化阵列式传感储能器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种一体化阵列式传感储能器件及其制备方法，该器件包括正极、负极、隔膜层，以及填充在负极和隔膜层之间的固态电解质；所述的负极包括柔性衬底、阵列式柱状体、阵列集流体，所述的阵列集流体附着在柔性衬底表面上，所述的阵列式柱状体连接在阵列集流体的节点处，形成一个连通的导电网络。本发明通过将柱状体放入阵列集流体网络节点，滴上固态电解质，将柱状体浸润，再将节点镂空的隔膜铺上，再次滴上固态电解质，将正极材料覆盖，轻轻按压，使柱状体，隔膜，正极材料与固态电解质充分浸润。本发明结构设计具有优异的机械性能，可解决柔性可穿戴设备储能问题。并且传感储能一体化，减少柔性可穿戴设备的体积，使其具有更广泛应用空间。
Description
技术领域
本发明涉及储能材料技术领域，尤其是一种一体化阵列式传感储能器件及其制备方法。
背景技术
随着近年来消费电子产品小型化及可穿戴、可折叠柔性电子产品概念的提出，亟待开发能为之提供能量的轻、薄、柔性的能量存储器件。若柔性储能器件兼具传感性能，则可减少便携式灵活性设备体积，使其具备更多的应用空间。传统储能器件由于体积较大且不能弯曲等原因，无法满足柔性电子产品对高柔性和可加工性的需求。
目前，关于柔性储能传感器件的研究主要是集中在如何提高储能器件的电化学储能能力以及实现其更高应力传感能量。在提升柔性储能器件的储能能力方面，主要是通过引入赝电容材料与碳纳米材料进行复合。
2009年Cheng将石墨烯与聚苯胺结合制备了柔性可弯曲超级电容器，其比电容值可达233F/g。2012年，Xie等人将石墨烯与二氧化锰复合，制备了具有弯曲能力的超级电容器，其比电容值可以达到267F/g。石墨烯由于具有良好的导电性、高的杨氏模量和透过性，在制备柔性储能器件中也表现出优异的性能。Yu等人利用化学气相沉积法制备了石墨烯薄膜用于透明柔性超级电容器，使得器件比电容达135F/g时。另一方面，提高其应力传感性能主要是通过结构设计，与有机物衬底复合或自支撑实现传感性能。Yongseok Jun教授研究团队将导电的还原石墨烯氧化物(RGO)片层附着在柔性多孔的聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上，构筑了一种多功能、高性能的石墨烯基应力传感电子皮肤。该柔性器件具有较低的表面电阻(1.5k构筑平方)、高灵敏性(gauge factor＝7-173)以及较宽传感范围(高达40％应变)，器件结构可控、制备成本低、便于大规模制备。Yang等以石墨烯织物为基础，在不包覆聚合物的情况下，制作了一种贴身可穿戴的石墨烯织物应变传感器，显示了高灵敏度，长期稳定性和极大的舒适性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种一体化阵列式传感储能器件及其制备方法，该器件具有更优异光电性能、兼容传感和电化学性能。
本发明的技术方案为：一体化阵列式传感储能器件，包括正极、负极、隔膜层，以及填充在负极和隔膜层之间的固态电解质，所述的隔膜层位于正极和负极之间；
所述的负极包括柔性衬底、阵列式柱状体、以及阵列集流体，所述的阵列集流体附着在柔性衬底表面上，所述阵列集流体的节点处连接有阵列式柱状体，形成一个连通的导电网络。
进一步的，所述的正极层采用导电材料作为集流体，并在集流体表面采用水热或电镀的方式负载一层活性材料作为正极，所述的导电材料为铜、银、镍、碳纸、碳布中的任意一种；所述的活性材料为氧化锰、氢氧化镍、氢氧化钴中的任意一种。
进一步的，所述的柔性衬底为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
进一步的，所述的阵列式柱状体采用弹性导电材料制成，所述的弹性导电材料为石墨烯/聚苯胺气凝胶材料或碳纳米管/聚苯胺气凝胶材料。
进一步的，阵列式柱状体包括压实部分与非压实部分，通过压实部分避免其产生形变而导致储能性能的下降，通过非压实部分可以由应力发生形变产生不同的电信号实现传感。
进一步的，所述阵列集流体位于阵列式柱状体的压实部分与非压实部分中间。所述节点处阵列式柱状体的非压实部分通过应对不同的力来改变接触电阻产生不同的电流信号产生以达到传感目的，同时由于碳基材料具有高比表面积可实现优异的储能性能。通过不同的节点产生的电信号来判断不同节点的受力情况。
进一步的，所述的隔膜层为聚烯烃多孔隔膜，所述的隔膜层上对应阵列式柱状体位置处镂空。
进一步的，所述的固态电解质金属盐和聚乙烯醇(PVA)高分子凝胶的混合物。
本发明还提供一种一体化阵列式传感储能器件的制备方法，具体包括以下步骤：
1)、阵列集流体的制备，在PDMS衬底或PET衬底表面溅射一层导电金属层，通过光刻机刻蚀得到阵列式集流网络；
2)、阵列式柱状体的制备，将0.1-1g的石墨烯与15-20mL的1M盐酸或硫酸混合，然后加入300μL的苯胺，搅拌5-10h；再向其溶液中加入1-10g过硫酸铵和40mL的1M盐酸溶液，搅拌均匀后超声震荡10-30min，在0-10℃下聚合反应4-10h，再加入抗坏血酸进行还原；最后使用去离子水清洗，在50-70℃烘干处理；将其切出0-1mm的切片为非压实部分，剩余部分在20-50MP的压力下处理3-20min，作为压实部分，将其重叠成为柱状体，作为负极与传感材料；
3)、正极，在导电材料表面通过电镀或水热法在其表面负载一层活性材料，其中，导电材料为铜、银、镍、碳纸、碳布中的任意一种，活性材料为氧化锰，氢氧化镍，氢氧化钴材料中的任意一种；
4)、固态电解质的制备，将一定量的PVA、去离子水，以及一定量的金属盐在50-90℃下搅拌3-10h；
5)、将柱状体放入阵列集流体网络节点，滴上固态电解质，将柱状体浸润，再将节点镂空的隔膜铺上，再次滴上固态电解质，将正极材料覆盖，轻轻按压，使柱状体，隔膜，正极材料与固态电解质充分浸润，将其置于40-70℃的干燥箱中烘干，从而制备出一体化阵列式传感储能器件。
本发明的有益效果为：
1、本发明结构设计具有优异的机械性能，可解决柔性可穿戴设备储能问题。
2、本发明其具有应力传感功能，可以实时感应人体运动情况，有利于监测人体健康状况。
3、本发明通过结构与材料的设计到传感储能一体化，减少柔性可穿戴设备的体积，使其具有更广泛应用空间。
4、本发明负极以导电气凝胶为柱状柔性材料，具有优异的弹性性能和良好的导电性，并且将其整列式排布成为独立的应力感应点，通过导电网络连通，同时将正极相应负极柱状结构位置镂空，使用隔膜将正负极结合，以电解质填充，负极可承担传感和储能双重作用；将传感器与储能器件结合可减少柔性器件体积，实现器件更多的功能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的爆炸结构图；
图3为本发明阵列式柱状体的结构示意图；
图中，1-正极，2-固态电解质，3-负极，4-隔膜层，5-阵列式柱状体，6-阵列集流体，7-柔性衬底，8-压实部分，9-非压实部分。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1-3所示，一体化阵列式传感储能器件，该器件的结构为三明治型，包括正极1、负极3、隔膜层4，以及填充在负极3和隔膜层4之间的固态电解质2，所述的隔膜层4位于正极1和负极3之间，所述的固态电解质2为金属盐和聚乙烯醇(PVA)高分子凝胶的混合物。
所述的正极1采用导电材料作为集流体，并在集流体表面采用水热或电镀的方式负载一层活性材料作为正极。
所述的负极3包括柔性衬底7、阵列式柱状体5、以及阵列集流体6，所述的柔性衬底7为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)。所述的阵列集流体6附着在柔性衬底7表面上，所述阵列式柱状体5包括压实部分8与非压实部分9，所述的阵列式柱状体5采用弹性导电材料制成，例如石墨烯/聚苯胺气凝胶材料或碳纳米管/聚苯胺气凝胶材料。通过压实部分8避免其产生形变而导致储能性能的下降，通过非压实部分9可以由应力发生形变产生不同的电信号实现传感。所述阵列集流体6的节点处连接有阵列式柱状体5，所述阵列集流体6位于阵列式柱状体5的压实部分8与非压实部分9中间，形成一个连通的导电网络。所述节点处阵列式柱状体5的非压实部分9通过应对不同的力来改变接触电阻产生不同的电流信号产生以达到传感目的，同时由于碳基材料具有高比表面积可实现优异的储能性能。通过不同的节点产生的电信号来判断不同节点的受力情况。
所述的隔膜层4为聚烯烃多孔隔膜，该所述的隔膜层4上对应阵列式柱状体5位置处镂空。
本实施例还提供阵列式传感储能器件的制备方法，具体包括以下步骤：
1、阵列集流体，在PDMS衬底或PET衬底表面溅射一层导电金属银，通过光刻机刻蚀得到阵列式集流网络；
2、阵列式柱状体的制备
将0.1-1g石墨烯(可为碳纳米管，碳纤维等材料)与20mL的1M盐酸或硫酸加入100mL的圆形容器中，加入300μL苯胺，搅拌5-10h；再向其溶液中加入1-10g过硫酸铵和40mL的1M盐酸溶液，搅拌均匀后超声震荡10-30min，在0-10℃下聚合反应4-10h，再加入抗坏血酸进行还原；最后使用去离子水清洗，在50-70℃烘干处理；将其切出0-1mm的切片为非压实部分，剩余部分在20-50MP的压力下处理3-20min，作为压实部分，将其重叠成为柱状体，作为负极与传感材料；
3、正极，在导电材料表面通过电镀或水热法在其表面负载一层活性材料。活性材料可以为氧化锰，氢氧化镍，氢氧化钴等材料，导电材料为铜、银、镍、碳纸、碳布中的任意一种；
4、固态电解质，将1g的PVA，10mL的去离子水，一定量的金属盐在50-90℃下搅拌3-10h；
5、将柱状体放入阵列集流体网络节点，滴上固态电解质，将柱状体浸润，再将节点镂空的隔膜铺上，再次滴上固态电解质，将正极材料覆盖，轻轻按压，使柱状体，隔膜，正极材料与固态电解质充分浸润，将其置于40-70℃的干燥箱中烘干，从而制备出一体化阵列式传感储能器件。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (10)
1.一体化阵列式传感储能器件，其特征在于：包括正极、负极、隔膜层，以及填充在负极和隔膜层之间的固态电解质，所述的隔膜层位于正极和负极之间；
所述的负极包括柔性衬底、阵列式柱状体、以及阵列集流体，所述的阵列集流体附着在柔性衬底表面上，所述的阵列式柱状体连接在阵列集流体的节点处，形成一个连通的导电网络。
2.根据权利要求1所述的一体化阵列式传感储能器件，其特征在于：所述的正极层采用导电材料作为集流体，并在集流体表面采用水热或电镀的方式负载一层活性材料作为正极。
3.根据权利要求2所述的一体化阵列式传感储能器件，其特征在于：所述的导电材料为铜、银、镍、碳纸、碳布中的任意一种；所述的活性材料为氧化锰、氢氧化镍、氢氧化钴中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一体化阵列式传感储能器件，其特征在于：所述的柔性衬底为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、或聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
5.根据权利要求1所述的一体化阵列式传感储能器件，其特征在于：所述的阵列式柱状体采用弹性导电材料制成，所述的弹性导电材料为石墨烯/聚苯胺气凝胶材料或碳纳米管/聚苯胺气凝胶材料。
6.根据权利要求5所述的一体化阵列式传感储能器件，其特征在于：阵列式柱状体包括压实部分与非压实部分，所述的压实部分用于防止其产生形变而导致储能性能的下降，所述的非压实部分用于传感。
7.根据权利要求1所述的一体化阵列式传感储能器件，其特征在于：所述阵列集流体位于阵列式柱状体的压实部分与非压实部分中间，所述节点处阵列式柱状体的非压实部分通过应对不同的力来改变接触电阻产生不同的电流信号产生以达到传感目的。
8.根据权利要求1所述的一体化阵列式传感储能器件，其特征在于：所述的隔膜层为聚烯烃多孔隔膜，所述的隔膜层上对应阵列式柱状体位置处镂空。
9.根据权利要求1所述的一体化阵列式传感储能器件，其特征在于：所述的固态电解质金属盐和聚乙烯醇(PVA)高分子凝胶的混合物。
10.一种一体化阵列式传感储能器件的制备方法，该方法用于制备权利要求1-9任意一项所述的传感储能器件，其特征在于，包括以下步骤：
1)、阵列集流体的制备，在PDMS衬底或PET衬底表面溅射一层导电金属层，通过光刻机刻蚀得到阵列式集流网络；
2)、阵列式柱状体的制备，将0.1-1g的石墨烯与15-20mL的1M盐酸或硫酸混合，然后加入300μL的苯胺，搅拌5-10h；再向其溶液中加入1-10g过硫酸铵和40mL的1M盐酸溶液，搅拌均匀后超声震荡10-30min，在0-10℃下聚合反应4-10h，再加入抗坏血酸进行还原；最后使用去离子水清洗，在50-70℃烘干处理；将其切出0-1mm的切片为非压实部分，剩余部分在20-50MP的压力下处理3-20min，作为压实部分，将其重叠成为柱状体，作为负极与传感材料；
3)、正极，在导电材料表面通过电镀或水热法在其表面负载一层活性材料，其中，导电材料为铜、银、镍、碳纸、碳布中的任意一种，活性材料为氧化锰，氢氧化镍，氢氧化钴材料中的任意一种；
4)、固态电解质的制备，将一定量的PVA、去离子水、金属盐在50-90℃下搅拌3-10h；
5)、将柱状体放入阵列集流体网络节点，滴上固态电解质，将柱状体浸润，再将节点镂空的隔膜铺上，再次滴上固态电解质，将正极材料覆盖，轻轻按压，使柱状体，隔膜，正极材料与固态电解质充分浸润，将其置于40-70℃的干燥箱中烘干，从而制备出一体化阵列式传感储能器件。
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