CN110718401A - 一种集成储能和传感功能的柔性超级电容器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种集成储能和传感功能的柔性超级电容器及其制备方法，所述电容器包括电芯、电解液和铝塑膜；所述电芯的正极耳和负极耳穿出由所述铝塑膜构成的密闭的空间；所述由所述铝塑膜构成的密闭的空间内灌注有电解液；所述电芯，由交替叠放的正电极片和负电极片组成，两两电极片之间设有聚四氟乙烯隔膜；其中，所有正电极片构成电芯的正电极，所有负电极片构成电芯的负电极；所述正电极片和所述负电极片由弹性压阻电极和铜网集流体复合而成；任意两个电极片为同等尺寸，所述聚四氟乙烯隔膜的尺寸大于电极片的尺寸。本发明实施例能够使得电容器同时具备储能和传感功能，还具备柔性性能，即具备一定的可弯折性和可拉伸性。

Description

一种集成储能和传感功能的柔性超级电容器及其制备方法
技术领域
本发明涉及超级电容器领域，尤其涉及一种集成储能和传感功能的柔性超级电容器及其制备方法。
背景技术
在智能微系统中，能量存储与传感是微系统的重要组成部分，但是，发明人发现，目前的智能微系统的能量存储和传感部分，被分为两个或多个不同器件来实现储能与传感功能，而采用多个器件来实现储能和传感功能，一方面，不仅造成系统的功耗大，还影响了器件的体积，造成整个系统的体积难以减少；另一方面，由于器件之间耦合程度的不同，会导致系统产生一定的误差，从而影响系统的精确度和可靠性。
因此，如何将能量存储与传感功能集成在一个器件中，以克服上述缺陷是亟须解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成储能和传感功能的柔性超级电容器及其制备方法，以降低智能微系统中因采用多个器件来实现储能和传感功能造成的系统误差，并降低系统功耗。
本发明实施例提供一种集成储能和传感功能的柔性超级电容器，其特征在于，包括电芯、电解液和铝塑膜；
所述电芯的正极耳和负极耳穿出由所述铝塑膜构成的密闭的空间；
所述由所述铝塑膜构成的密闭的空间内灌注有电解液；
所述电芯，由交替叠放的正电极片和负电极片组成，两两电极片之间设有聚四氟乙烯隔膜；其中，
所有正电极片构成电芯的正电极，所有负电极片构成电芯的负电极；所述正电极片和所述负电极片由弹性压阻电极和铜网集流体复合而成；任意两个电极片为同等尺寸，所述聚四氟乙烯隔膜的尺寸大于电极片的尺寸。
进一步地，所述弹性压阻电极由活性炭、聚四氟乙烯粘结剂、乙炔黑和橡胶经过高温辊压复合而成；其中，所述橡胶为三元乙丙橡胶或硅橡胶。
进一步地，所述活性炭、乙炔黑、聚四氟乙烯粘结剂的配比为8:1:1，所述橡胶质量分数为10％。
进一步地，所述电解液由以PC/AN为溶剂，TEA·BF4或TEMA·BF4或SBP·BF4为溶质配制而成。
本发明实施例还提供一种集成储能和传感功能的柔性超级电容器的制备方法，用于制备集成储能和传感功能的柔性超级电容器，包括：
将活性炭、乙炔黑、聚四氟乙烯粘结剂和橡胶球磨混合后辊压制成弹性压阻电极；
以铜网为集流体，将所述弹性压阻电极复合在一起，作为电容器的正电极和负电极；其中，所述正电极包括正极耳，所述负电极包括负极耳；
采用Z字叠片法，以聚四氟乙烯为隔膜将所述正电极和所述负电极通过叠层方式制成电芯；
经过烘烤去除所述电芯的水分后，将所述电芯放置在铝塑膜上；其中，所述电芯的正极耳和负极耳位于铝塑膜的外部；
将铝塑膜对后折，将正极耳和负极耳两侧的铝塑膜热压封口，并从未封口一侧注入电解液；
所述电芯在所述电解液中静置设定时间后，将内部空气和多余电解液挤压出，并将所述未封口一侧的铝塑膜热压封口。
进一步地，所述活性炭、乙炔黑、聚四氟乙烯粘结剂的配比为8:1:1，所述橡胶质量分数为10％；其中，所述橡胶为三元乙丙橡胶或硅橡胶。
进一步地，所述电解液由以PC/AN为溶剂，TEA·BF4或TEMA·BF4或SBP·BF4为溶质配制而成。
相比于现有技术，本发明实施例通过制备具有弹性性能的压阻电极，使得超级电容器同时具备储能和传感功能。同时，由于将多个功能集成在一个器件中，可以提高系统的可靠性和一致性，降低系统匹配度不足带来的误差，提高系统精确度和准确性，同时还可以降低系统整体的功耗。
此外，具有弹性性能的压阻电极以及可弯折性的铝塑膜，使得本发明实施例提供的电容器具备柔性性能，即具有一定的可弯折性和可拉伸性，从而可以使电容器的使用场景更加灵活。
附图说明
图1为本发明实施例中，将电芯进行封装的示意图；
图2为本发明实施例提供的弹性压阻电极材料的电镜图；
图3为普通双电层超级电容器电极材料电镜图；
图4为本发明实施例提供的集成储能和传感功能的柔性超级电容器的充放电曲线图；
图5为通过本发明实施例提供的集成储能和传感功能的柔性超级电容器的传感响应曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
双电层超级电容器作为一种新型的储能器件，具有功率密度高，寿命长，绿色环保等优点，其主要储能机理为通过正负极对电解液中不同极性离子的物理吸附/解吸附形成界面双层实现器件的储能/供能。双电层超级电容器电极材料由活性炭、乙炔黑、聚四氟乙烯粘结剂组成。
压阻式传感器作为一种传感器件，其主要的传感机理是通过受到外力之后，具有压阻性能的材料产生形变，引发材料的电阻值发生突变，导致输入/输出电压发生突变，从而实现传感的功能。
实施例1
本发明实施例基于双电层超级电容器和压阻式传感器的原理，提供一种集成储能和传感功能的柔性超级电容器的制备方法，包括：
将活性炭、乙炔黑、聚四氟乙烯粘结剂和橡胶以8:1:1和10％的质量分数球磨混合制备得到弹性压阻电极材料，并将该弹性压阻电极材料辊压在金属网上制成弹性压阻电极；然后，将弹性压阻电极辊压在铜网上(铜网为集流体)制成压阻电极，所述压阻电极用于作为电容器的正电极和负电极。
将压阻电极、聚四氟乙烯(PTFE)隔膜进行裁切，保证隔膜宽度稍高于电极宽度，避免电极间相互接触，导致短路；将隔膜固定好后，取一片压阻电极作为正电极片放置在隔膜上，将隔膜沿压阻电极侧翻折、压紧，并进行固定，再取一片压阻电极作为负电极片放置在隔膜上，由另一侧翻折、压紧，利用隔膜把整个电芯缠绕一圈，压紧后用高温胶带沿隔膜尽头粘贴固定，形成电芯。该电芯的结构从下到上依次为：PTFE隔膜、压阻电极(电容器的正电极)、PTFE隔膜、压阻电极(电容器的负电极)、PTFE隔膜。需要理解的是，电芯的正电极和负电极分别可以由多个正电极片和多个负电极片组成，每对正电极片和负电极片之间均设有隔膜用于隔离。需要说明的是，所述正电极包括正极耳，所述负电极包括负极耳。
请参阅图1，在经过在长时间高温(160℃，12～24h)烘烤去除电芯的水分后，使用铝塑膜将电芯进行封装。具体的，首先，将电芯放置在铝塑膜上，并使电芯的正极耳和负极耳位于铝塑膜的外部；然后将铝塑膜对折；接着将正极耳和负极耳两侧的铝塑膜热压封口，并从未封口一侧注入电解液；最后，在真空环境下，电芯在电解液中静置30min后，将由铝塑膜构成的空间的内部的空气和多余电解液挤压出，并将未封口一侧的铝塑膜热压封口，最终制成集成储能和传感功能的柔性超级电容器。
在本发明实施例中，需要说明的是，活性炭、乙炔黑、聚四氟乙烯粘结剂和橡胶的配比可以是多种的，本发明在此不做限制。所述电解液为商用电解液，该商用电解液是由以PC/AN为溶剂，TEA·BF4或TEMA·BF4或SBP·BF4等季铵盐为溶质配制而成的。所述电芯在电解液中静置的时间也可以为多种，本发明在此不做限制。还需要理解的是，由于弹性压阻电极材料无法直接进行热压封口，而且内阻较大，所以弹性压阻电极材料需要辊压在金属网上做成弹性压阻电极。
请参阅图2，图2为所述弹性压阻电极材料的电镜照片，图3为普通双电层超级电容器电极材料电镜照片，相比于图3，在图2的弹性压阻电极材料的电镜照片中，块状活性炭颗粒被空间网状结构包络，这种包络可以为电极提供一定的力学性能，且能保证电极具有良好的弹性，不仅能够使电极对外力冲击具有良好的感知，还可以使得器件具有一定的可弯折性和可拉伸性，从而可以更好地适应不同的力学环境；另外，良好的弹性还可以保证器件具有较长的寿命。
请参阅图4，图4为本发明实施例所述的柔性超级电容器的充放电曲线图，从图可以得知，其具有良好的充放电性能，即证明了其具有储能能力。
请参阅图5，图5为本发明实施例所述的集成储能和传感功能的柔性超级电容器的传感响应曲线，在放电过程中挤压器件(电容器)，出现如图5所示明显的电压突变，此突变称为传感响应峰，传感响应峰的出现证明了本发明实施例提供的超级电容器具有良好的传感功能。
此外，本发明实施例所述的一个集成储能和传感功能的柔性超级电容器工作电压可达2.7V，通过将多个所述电容器串联成模组，可以提升器件的使用电压，拓展器件的应用场景。
本发明实施例基于双电层超级电容器电极材料，与橡胶等弹性体球磨混合辊压在铜网上制备具有弹性性能的压阻电极，使得电容器同时了具备储能和传感功能。
本发明实施例一个器件集成了多个功能，不仅可以减小整个智能微系统的设计体积，使得智能微系统可以拥有更广阔的应用场景，还可以提高系统的可靠性和一致性，降低系统匹配度不足带来的误差，提高系统精确度和准确性；同时还可以降低系统整体的功耗。
此外，具有弹性性能的压阻电极以及可弯折性的铝塑膜，使得相对于刚性的电容器，本发明实施例制备得到的电容器具备柔性性能，即具有一定的可弯折性和可拉伸性，从而可以使电容器的使用场景更加灵活，提高电容器对周边环境的感知能力，进而能够应用于更多的领域；此外通过本发明实施例提供的集成储能和传感功能的柔性超级电容器制备方法，还可以降低电容器的制造成本，提升电容器的功率密度和能量密度。
实施例2
本发明实施例提供一种由实施例1实现的电容器，包括电芯、电解液和铝塑膜；
所述电芯的正极耳和负极耳穿出由所述铝塑膜构成的密闭的空间；
所述由所述铝塑膜构成的密闭的空间内灌注有电解液；
所述电芯，由交替叠放的正电极片和负电极片组成，两两电极片之间设有聚四氟乙烯隔膜；其中，
所有正电极片构成电芯的正电极，所有负电极片构成电芯的负电极；所述正电极片和所述负电极片由弹性压阻电极和铜网集流体复合而成；任意两个电极片为同等尺寸，所述聚四氟乙烯隔膜的尺寸大于电极片的尺寸。
其中，所述弹性压阻电极由活性炭、聚四氟乙烯粘结剂、乙炔黑和橡胶经过高温辊压复合而成；所述橡胶为三元乙丙橡胶或硅橡胶，所述活性炭、乙炔黑、聚四氟乙烯粘结剂的配比为8:1:1，所述橡胶质量分数为10％。
所述电解液为商用电解液，该商用电解液由以PC/AN为溶剂，TEA·BF4或TEMA·BF4或SBP·BF4为溶质配制而成。
需要说明的是，所述活性炭、聚四氟乙烯粘结剂、乙炔黑和橡胶的配比以及橡胶质量分数可以为多种，本发明在此不做限制。
还需要说明的是，本发明实施例是由实施例1制备得到的，故，本发明实施例在此做不做重复的详细的阐述。
本发明实施例通过制备具有弹性性能的压阻电极，使得电容器同时具备储能和传感功能。
本发明实施例一个器件集成了多个功能，不仅可以减小整个智能微系统的设计体积，使得智能微系统可以拥有更广阔的应用场景，还可以提高系统的可靠性和一致性，降低系统匹配度不足带来的误差，提高系统精确度和准确性；同时还可以降低系统整体的功耗。
此外，具有弹性性能的压阻电极以及可弯折性的铝塑膜，使得相对于刚性的电容器，本发明实施例的电容器具备柔性性能，即具有一定的可弯折性和可拉伸性，从而可以使电容器的使用场景更加灵活，提高电容器对周边环境的感知能力，进而能够应用于更多的领域，此外通过本发明实施例提供的集成储能和传感功能的柔性超级电容器制备方法，还可以降低电容器的制造成本，提升电容器的功率密度和能量密度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种集成储能和传感功能的柔性超级电容器，其特征在于，包括电芯、电解液和铝塑膜；
所述电芯的正极耳和负极耳穿出由所述铝塑膜构成的密闭的空间；
所述由所述铝塑膜构成的密闭的空间内灌注有电解液；
所述电芯，由交替叠放的正电极片和负电极片组成，两两电极片之间设有聚四氟乙烯隔膜；其中，
所有正电极片构成电芯的正电极，所有负电极片构成电芯的负电极；所述正电极片和所述负电极片由弹性压阻电极和铜网集流体复合而成；任意两个电极片为同等尺寸，所述聚四氟乙烯隔膜的尺寸大于电极片的尺寸。
2.根据权利要求1所述的集成储能和传感功能的柔性超级电容器，其特征在于，所述弹性压阻电极由活性炭、聚四氟乙烯粘结剂、乙炔黑和橡胶经过高温辊压复合而成；其中，所述橡胶为三元乙丙橡胶或硅橡胶。
3.根据权利要求2所述的集成储能和传感功能的柔性超级电容器，其特征在于，所述活性炭、乙炔黑、聚四氟乙烯粘结剂的配比为8:1:1，所述橡胶质量分数为10％。
4.根据权利要求3所述的集成储能和传感功能的柔性超级电容器，其特征在于，所述电解液由以PC/AN为溶剂，TEA·BF4或TEMA·BF4或SBP·BF4为溶质配制而成。
5.一种集成储能和传感功能的柔性超级电容器的制备方法，其特征在于，包括：
将活性炭、乙炔黑、聚四氟乙烯粘结剂和橡胶球磨混合后辊压制成弹性压阻电极；
以铜网为集流体，将所述弹性压阻电极复合在一起，作为电容器的正电极和负电极；其中，所述正电极包括正极耳，所述负电极包括负极耳；
采用Z字叠片法，以聚四氟乙烯为隔膜将所述正电极和所述负电极通过叠层方式制成电芯；
经过烘烤去除所述电芯的水分后，将所述电芯放置在铝塑膜上；其中，所述电芯的正极耳和负极耳位于铝塑膜的外部；
将铝塑膜对后折，将正极耳和负极耳两侧的铝塑膜热压封口，并从未封口一侧注入电解液；
所述电芯在所述电解液中静置设定时间后，将内部空气和多余电解液挤压出，并将所述未封口一侧的铝塑膜热压封口。
6.根据权利要求5所述的集成储能和传感功能的柔性超级电容器的制备方法，其特征在于，所述活性炭、乙炔黑、聚四氟乙烯粘结剂的配比为8:1:1，所述橡胶质量分数为10％；其中，所述橡胶为三元乙丙橡胶或硅橡胶。
7.根据权利要求6所述的集成储能和传感功能的柔性超级电容器的制备方法，其特征在于，所述电解液由以PC/AN为溶剂，TEA·BF4或TEMA·BF4或SBP·BF4为溶质配制而成。
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