CN110648862A - 一种基于水凝胶电解质的全固态超级电容器的制备 - Google Patents
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Abstract
本发明针对基于液态电解质的超级电容器存在的缺陷，提供一种基于水凝胶电解质的全固态电容器及其组装方法。以大豆蛋白和丙烯酰胺的混合溶液为前聚体，加入引发剂过硫酸铵，交联剂N，N’‑亚甲基双丙烯酰胺，氯化钙，加热交联形成大豆蛋白‑聚丙烯酰胺复合水凝胶。然后在室温下浸入离子溶液中置换得到溶解有离子的水凝胶电解质。在此基础上，将碳纳米管电极直接粘附在水凝胶电解质两侧，组装成三明治结构的全固态电容器，不需要任何黏合剂、隔膜或基底。制备的水凝胶电解质具有制备方法简单、可生物相容及环境友好等特性；组装的全固态超级电容器，具有组装工艺简单、电化学性能优异以及安全性高等优势。本发明公布了其制法。
Description
技术领域
本发明涉及一种大豆蛋白复合水凝胶电解质的制备及其在超级电容器上的应用。
背景技术
超级电容器，又称作电化学超级电容器，是介于传统电容器和蓄电池之间的电能储能器件，相对于传统电容器，它具有更高的输出功率；相对于电池而言，又具有更高的能量密度。因此，它综合了传统电容器和蓄电池的优势，有利于扩展其在大功率高能量电源方面的应用。除此之外，超级电容器还具有倍率时间短、工作范围宽、充电时间短以及循环寿命长等优点。近年来，随着柔性电子器件的飞速发展，超级电容器作为电子产品的主要供能设备之一，如何适应柔性电子器件的要求已成为当前的研究热点。
电解质作为超级电容器的重要组成部分，包括液体电解质和固体电解质。目前，大部分超级电容器主要采用液体电解质，但在实际使用过程中易受外力作用造成有害液体的泄漏、燃烧和爆炸以及电极错位等安全隐患。与基于液体电解质的超级电容器相比，基于固体电解质的全固态超级电容器便于携带、可有效避免有害电解质的泄漏和包装材料的使用，并能够承受挤压、拉伸及压缩等机械变形。因此，全固态电容器作为一种先进的储能元件，在柔性器件领域具有广阔的应用前景。
离子水凝胶，是具有三维网状结构的类固体聚合物，由于其内部含有大量水分，可以溶解离子，并为离子迁移提供通道，因而可作为一种固体电解质用于全固态电容器的制备。现阶段，水凝胶主要采用石油基原料制备而成，存在成本高、生物相容性差、不可再生等缺点。基于此，本发明提供一种生物基水凝胶电解质，具有制备方法简单、成本低、可生物相容及环境友好等特性；组装的全固态超级电容器，具有优异的电化学性能和安全性能，且组装工艺简单，有利于扩大生产。有望作为一种先进的储能元件用于柔性电子器件。
发明内容
解决的技术问题：本发明针对基于液态电解质的超级电容器存在的缺陷，提供一种基于水凝胶电解质的全固态电容器及其组装方法。该水凝胶电解质为大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质，具有制备方法简单、可生物相容及环境友好等特性；组装的全固态超级电容器，具有组装工艺简单、电化学性能优异以及安全性高等优势，有利于工业扩大化生产。有望作为一种先进的储能元件用于柔性电子器件。
技术方案：本发明首先提供一种大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质的制备方法，步骤为：以大豆蛋白和丙烯酰胺的混合溶液为前聚体，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、氯化钙为交联剂，过硫酸铵为引发剂，在热引发作用下发生交联聚合，形成具有三维网络结构的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶；然后在室温下浸入离子溶液中置换得到溶解有离子的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质。在此基础上，将碳纳米管电极直接粘附在该水凝胶电解质两侧，组装成三明治结构的全固态电容器，不需要任何黏合剂、隔膜或基底。
所述的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶，其特征在于大豆蛋白、丙烯酰胺、引发剂、交联剂的质量比为1∶5∶0.02∶0.01，大豆蛋白和氯化钙的质量比为10∶1。
所述的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质，其特征在于离子溶液为LiCl、KF、KI、KCl、KNO3、Na2SO4、KOH、NaOH、LiOH、H3PO4中的一种。
所述的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质，其特征在于离子溶液的质量分数为2wt％～50wt％。
所述的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质，其特征在于浸泡时间为2天～5天。
所述的基于大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质的全固态电容器，其特征在于所用的碳纳米管电极为碳纳米管纸、碳纳米管膜、苯胺修饰的碳纳米管纸、苯胺修饰的碳纳米管膜、吡咯修饰的碳纳米管纸、吡咯修饰的碳纳米管膜中的一种。
有益效果：本发明提供了一种基于水凝胶电解质的全固态电容器及其组装方法。大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质，制备方法简单、可生物相容及环境友好；利用该水凝胶电解质和碳纳米管电极组装的全固态超级电容器，具有优异的电化学性能、较高的安全性，且组装工艺简单，有利于工业扩大化生产。有望作为一种先进的储能元件用于柔性电子器件。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。再不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。上述一种基于水凝胶电解质的全固态超级电容器及其制备方法，所用原料及试剂均为市售。
实施例1：大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备
采用加热将大豆蛋白充分分散在水溶液中，得到大豆蛋白分散液，然后加入丙烯酰胺单体、交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺和氯化钙、引发剂过硫酸铵。控制大豆蛋白、丙烯酰胺、引发剂、交联剂的质量比为1∶5∶0.02∶0.01，大豆蛋白与氯化钙的质量比为10∶1。80℃加热24h，使其充分交联聚合，得到大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶。
实施例2～实施例11大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质的制备
将实施例1所得的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶，室温下浸入一定浓度的离子溶液中，进行充分置换，从而得到溶解有离子的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质。离子溶液的种类、浓度，以及制得的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质的电导率，详见附表1。
实施例12基于大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质的全固态超级电容器的制备
以实施例4制得的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质作为电解质，以碳纳米管纸作为电极，将碳纳米管纸直接粘附在大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质两侧，组装成三明治结构的全固态电容器，不需要任何黏合剂、隔膜或基底。
实施例13基于大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质的全固态超级电容器的制备
以实施例5制得的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质作为电解质，以碳纳米管膜作为电极，将碳纳米管膜直接粘附在大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质两侧，组装成三明治结构的全固态电容器，不需要任何黏合剂、隔膜或基底。
实施例14基于大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质的全固态超级电容器的制备
以实施例6制得的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质作为电解质，以苯胺修饰的碳纳米管纸作为电极，将苯胺修饰的碳纳米管纸直接粘附在大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质两侧，组装成三明治结构的全固态电容器，不需要任何黏合剂、隔膜或基底。
实施例15基于大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质的全固态超级电容器的制备
以实施例7制得的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质作为电解质，以苯胺修饰的碳纳米管膜作为电极，将苯胺修饰的碳纳米管膜直接粘附在大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质两侧，组装成三明治结构的全固态电容器，不需要任何黏合剂、隔膜或基底。
实施例16基于大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质的全固态超级电容器的制备
以实施例8制得的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质作为电解质，以吡咯修饰的碳纳米管纸作为电极，将吡咯修饰的碳纳米管纸直接粘附在大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质两侧，组装成三明治结构的全固态电容器，不需要任何黏合剂、隔膜或基底。
实施例17基于大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质的全固态超级电容器的制备
以实施例9制得的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质作为电解质，以吡咯修饰的碳纳米管膜作为电极，将吡咯修饰的碳纳米管膜直接粘附在大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质两侧，组装成三明治结构的全固态电容器，不需要任何黏合剂、隔膜或基底。
实施例18全固态超级电容器的电化学性能
采用电化学工作站，对实施例12～实施例17组装的全固态超级电容器，进行电化学性能评估。根据其恒定电流充/放电过程曲线(电流为0.5mA)，利用Cm＝2It/Um计算得出比电容，结果如附表2所示。由此可知，组装的全固态电容器具有良好的电化学性能。
附表1
| 离子溶液 | 离子溶液浓度(wt％) | 浸泡时间(天) | 电导率(mS/cm) | |
| 实施例2 | H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub> | 2 | 2 | 8.3 |
| 实施例3 | Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> | 5 | 3 | 13.5 |
| 实施例4 | KNO<sub>3</sub> | 10 | 4 | 17.6 |
| 实施例5 | KOH | 15 | 5 | 23 |
| 实施例6 | NaOH | 20 | 3 | 34 |
| 实施例7 | LiOH | 30 | 2 | 29 |
| 实施例8 | KCl | 50 | 2 | 30 |
| 实施例9 | LiCl | 10 | 5 | 19 |
| 实施例10 | KF | 15 | 3 | 21 |
| 实施例11 | KI | 20 | 2 | 30 |
附表2
| 比电容(F/g) | |
| 实施例12 | 93 |
| 实施例13 | 123 |
| 实施例14 | 215 |
| 实施例15 | 189 |
| 实施例16 | 194 |
| 实施例17 | 104 |
Claims (7)
1.一种大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质的方法，其特征是：以大豆蛋白和丙烯酰胺的混合溶液为前聚体，加入引发剂过硫酸铵，交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、氯化钙，加热形成具有三维网络结构的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶。然后在室温下将大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶浸入离子溶液中置换得到溶解有离子的水凝胶电解质。
2.一种基于水凝胶电解质的全固态超级电容器的制备，其特征是：将碳纳米管电极直接粘附在大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质两侧，组装成三明治结构的全固态电容器，不需要任何黏合剂、隔膜或基底。
3.如权利要求1所述的一种大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质的方法，其特征是：大豆蛋白、丙烯酰胺、引发剂、交联剂、氯化钙的质量比为1∶5∶0.02∶0.01∶0.1。
4.如权利要求1所述的一种大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质的方法，其特征是：浸泡的离子溶液为LiCl、KF、KI、KCl、KNO3、Na2SO4、KOH、NaOH、LiOH、H3PO4中的一种。
5.如权利要求1所述的一种大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质的方法，其特征是：浸泡的离子溶液质量分数为2wt％～50wt％。
6.如权利要求1所述的一种大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质的方法，其特征是：大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶在离子溶液中浸泡的时间为2天～5天。
7.如权利要求2所述的一种基于水凝胶电解质的全固态超级电容器的制备，其特征是：碳纳米管电极为碳纳米管纸、碳纳米管膜、苯胺修饰的碳纳米管纸、苯胺修饰的碳纳米管膜、吡咯修饰的碳纳米管纸、吡咯修饰的碳纳米管膜中的一种。
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