CN111223670A - 一种平面钠离子电容器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种平面钠离子电容器,包括:集流体;在集流体上共面设置的正极和负极;和电解液,所述电解液为凝胶电解液;其中,所述正极和负极间隔开。本申请还提供了一种平面钠离子电容器的制备方法和应用。本申请提供的平面钠离子电容器其正负极在柔性基底上空间隔开,无需隔膜,具有优异的柔性,制备过程简单,可大规模制备,制备得到的钠离子电容器柔性好,可与便携化、柔性化、可穿戴电子器件集成。
Description
技术领域
本申请涉及一种平面钠离子电容器及其制备方法和应用,属于储能领域。
背景技术
柔性化和可穿戴化消费电子产品的发展,刺激了人们对具有高能量密和高功率密度的新型储能器件的需求。已商业化的电池,例如锂离子电池和铅酸电池,往往具有高的能量密度,而受制于低的功率密度;超级电容器具有高的功率密度,但能量密度低。金属离子电容器(锂离子电容、钠离子电容器和铝离子电容器)同时结合了电池材料和电容器材料的优势,可同时获得高能量密度和高功率密度。因此,金属离子电容器被认为是一种有前景的新储能器件。
锂离子储能器件(锂离子电池和锂离子电容器)由于金属锂在地壳中低的储量和高成本的问题,难以满足日益增长的储能和用能的巨大需求。由于钠储量丰富、成本低廉且与锂相似的性质,钠离子储能器件(钠离子电池和钠离子电容器)有望成为下一代新型储能器件。
目前钠离子电容器的构型为传统堆叠型,即由集流体/正极/隔膜/负极/集流体的形式堆叠构成。这种结构形式的堆叠型钠离子电容器结构形式涉及到两个基底,集流体和电极材料未能融于一体。平面型储能器件是指在一个基底上构筑平面结构的集流体、电极和电解液。但是平面型钠离子电容器并没有得到开发。
发明内容
根据本申请的一个方面,提供了一种平面钠离子电容器,其正极和负极在柔性基底上空间隔开,无需隔膜,具有优异的柔性。
所述平面钠离子电容器,其特征在于,包括:集流体;在集流体上共面设置的正极和负极;和电解液,所述电解液为凝胶电解液;其中,所述正极和负极间隔开。
可选地,所述集流体设置在柔性基底上;所述柔性基底的材料选自聚四氟乙烯滤膜、聚偏氟乙烯滤膜、聚丙烯滤膜或尼龙滤膜中的一种。
可选地,所述正极的电容材料包括活性炭、碳纳米管、石墨烯或活化石墨烯中的一种或多种的组合;所述负极的电池材料包括钛酸钠、氧化钛、五氧化二铌、石墨、硬碳、预嵌钠石墨或预嵌钠硬碳中的一种或多种的组合;所述集流体的集流体材料包括石墨烯、碳纳米管、膨胀石墨、铜纳米线、镍纳米线中的一种或多种的组合。
可选地,所述平面钠离子电容器的几何构型选自交叉指型、线形或同心圆型中的至少一种。
可选地,所述凝胶电解液包括钠盐、溶剂和聚合物;其中,所述钠盐在所述凝胶电解液中的质量分数为5-25%;所述溶剂在所述凝胶电解液中的质量分数为60-93%;所述聚合物在所述凝胶电解液中的质量分数为2-15%。
可选地,所述钠盐选自高氯酸钠、四氟硼酸钠或双(三氟甲烷磺酰)亚胺钠盐中的至少一种;所述溶剂选自碳酸乙酯、碳酸二甲酯、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐中的至少一种;所述聚合物包括(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物。
根据本申请的另一方面,还提供了一种上述平面钠离子电容器的制备方法,包括:1)利用掩模板形成集流体;2)利用所述掩模板在集流体上形成共面的正极和负极;其中,所述正极和所述负极彼此间隔开;3)在所述正极和所述负极上涂敷电解液,封装,得到所述平面钠离子电容器。
可选地,步骤1)包括:利用基底上的掩模板抽滤集流体分散液,在基底表面形成导电层,得到所述集流体。
可选地,所述掩模板的几何构型选自交叉指型、线形或同心圆型中的至少一种。
可选地,所述基底选自聚四氟乙烯滤膜、聚偏氟乙烯滤膜、聚丙烯滤膜或尼龙滤膜中的一种。
可选地,所述聚四氟乙烯滤膜、聚偏氟乙烯滤膜、聚丙烯滤膜或尼龙滤膜的孔径为0.02-2μm。
可选地,所述集流体分散液包括集流体材料和分散剂Ⅰ;所述集流体材料包括石墨烯、碳纳米管、膨胀石墨、铜纳米线、镍纳米线中的一种或多种的组合。
可选地,形成所述正极包括:利用集流体上的所述掩模板抽滤电容材料分散液,在集流体表面上形成所述正极。
可选地,所述电容材料分散液包括电容材料和分散剂Ⅱ;所述电池材料包括钛酸钠、氧化钛、五氧化二铌、石墨、硬碳、预嵌钠石墨或预嵌钠硬碳中的一种或多种的组合。
可选地,形成所述负极包括:利用集流体上的所述掩模板抽滤电池材料分散液,在集流体表面上形成所述负极。
可选地,所述电池材料分散液包括电池材料和分散剂Ⅲ;所述电容材料包括活性炭、碳纳米管、石墨烯或活化石墨烯中的一种或多种的组合。
可选地,所述掩模板包括第一部分和第二部分;利用所述第一部分和所述第二部分抽滤所述集流体分散液;利用所述第一部分抽滤所述电容材料分散液;利用所述第二部分抽滤所述电池材料分散液。
可选地,分散剂Ⅰ、分散剂Ⅱ、分散剂Ⅲ各自选自乙醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种的组合。
可选地,交叉指型掩模板的指长为0.1-40mm,指宽为0.1-10mm,指间距为0.1-5mm;同心圆型掩模板的起始半径为0.1-5mm,指间距为0.1-5mm,指宽为0.5-10mm;线型掩模板的长为10-100cm,宽为0.5-2mm,指间距为0.1-1mm。
可选地,所述集流体分散液的浓度为0.05-10mg mL-1;所述集流体的厚度为0.1-100μm。
可选地,所述电容材料分散液的浓度为0.1-10mg mL-1。
可选地,电池材料分散液的浓度为0.1-10mg mL-1。
可选地,所述凝胶电解液包括钠盐、溶剂和聚合物;其中,所述钠盐在所述凝胶电解液中的质量分数为5-25%;所述溶剂在所述凝胶电解液中的质量分数为60-93%;所述聚合物在所述凝胶电解液中的质量分数为2-15%。
可选地,所述钠盐选自高氯酸钠、四氟硼酸钠或双(三氟甲烷磺酰)亚胺钠盐中的至少一种;所述溶剂选自碳酸乙酯、碳酸二甲酯、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐中的至少一种;所述聚合物包括(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物。
作为一个具体实施方式,一种柔性全固态平面型钠离子电容器具体包括以下步骤:(1)在柔性基底滤膜上,通过具有几何构型的掩模板辅助方式,抽滤集流体分散液得到一层导电集流体;(2)再连续通过相同掩模板的一侧抽滤电池材料分散液于集流体上,得到负极;(3)再连续通过相同掩模板的另一侧抽滤电容材料分散液于集流体上,得到正极;(4)最后涂上凝胶电解液,封装,得到柔性全固态平面交叉指型锂离子电容器。
可选地,钠离子电容器是依次在柔性基底上构筑共面结构的集流体层、共面结构的电池材料电极层和电容材料电极层,再涂上凝胶电解液,最后封装而得;共面结构为一个基底的同一侧上分离对称的几何结构。
根据本申请的又一方面,还提供了上述平面钠离子电容器在可穿戴电子器件中的应用。
本申请提供了一种柔性全固态平面型钠离子电容器及其制备方法,该钠离子电容器是依次在柔性基底上构筑共面结构的集流体层、共面结构的电池材料电极层和电容材料电极层,再涂上凝胶电解液,最后封装而得到平面型钠离子电容器。具体制备方法为在滤膜基底上,通过具有一定几何构型的掩膜版辅助的抽滤方式;先抽滤一层导电层形成共面集流体;然后通过相同掩膜版的一侧抽滤电池材料分散液于集流体上,得到负极;再通过相同掩膜版的另一侧抽滤电容材料分散液于集流体上,得到正极;最后涂上凝胶电解液和封装,得到柔性全固态平面型钠离子电容器。全固态平面型钠离子电容器制备过程简单,柔性好,可与便携化、柔性化、可穿戴电子器件集成。
本申请能产生的有益效果包括:
1)本申请提供的全固态平面型钠离子电容器制备过程简单,可大规模制备,制备得到的钠离子电容器柔性好,可与便携化、柔性化、可穿戴电子器件集成。
2)本申请所提供的一种柔性全固态平面型钠离子电容器,其正负极在柔性基底上空间隔开,无需隔膜,具有优异的柔性。
3)本申请所提供的一种柔性全固态平面型钠离子电容器,其所用电解液为凝胶电解液,无液体电解液泄漏的问题。
附图说明
图1为根据本申请的实施例1制备的柔性全固态平面交叉指型钠离子电容器示意图。
图2为根据本申请的实施例2制备的柔性全固态平面交叉指型钠离子电容器的充放电曲线。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请,但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明,本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买,其中:掩模板为自制不锈钢掩模板;
石墨烯通过氧化石墨烯的热还原制备而得;
活性炭购自日本可乐丽;
碳纳米管购自南京先丰纳米;
铜纳米线购自南京先丰纳米;
镍纳米线购自南京先丰纳米;
预嵌钠石墨由石墨(购自贝瑞特)预嵌钠而得;
预嵌钠硬碳由硬碳(购自贝瑞特)预嵌钠而得;
本申请的实施例中分析方法如下:
能量密度测定方法为:利用电化学工作站(CHI760E)仪器测试充放电,基于电极的体积计算能量密度。
实施例1
本实施例中,以分散在乙醇中的电化学剥离石墨烯(0.05mg mL-1),分散在乙醇中的五氧化二铌(1.0mg mL-1)和分散在乙醇中的活性炭(0.25mg mL-1)为原料。掩模板为交叉指型,其长为10mm,宽为2mm,指间距为0.4mm。基底滤膜为聚四氟乙烯滤膜,其孔径为0.2μm。先通过掩模板抽滤一层石墨烯集流体,其厚度约为2μm;然后在掩模板一侧抽滤钛酸钠分散液(负极),其厚度约为2μm;再在掩模板另一侧抽滤活性炭分散液(正极),其厚度分别约为7μm。涂上四氟硼酸钠/1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物电解液,其中电解液中四氟硼酸钠、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物的质量分数分别为10%、82%、8%,最后封装;即得到如图1所示的柔性全固态平面交叉指型钠离子电容器。
所得的柔性全固态平面交叉指型钠离子电容器能在电压窗口为3.5V下稳定工作,并且从0度弯曲到180度,容量几乎无衰减。在恒流充放电为0.2mA cm-2时,器件的能量密度为25.2mWh cm-3。
实施例2
本实施例中,以分散在异丙醇中的电化学剥离石墨烯(0.1mg mL-1),分散在异丙醇中的钛酸钠(1.0mg mL-1)和分散在异丙醇中的活化石墨烯(0.25mg mL-1)为原料。掩模板为交叉指型,其长为15mm,宽为1mm,指间距为0.5mm。基底滤膜为聚四氟乙烯滤膜,其孔径为0.2μm。先通过掩模板抽滤一层石墨烯集流体,其厚度约为1μm;然后在掩模板一侧抽滤钛酸钠分散液(负极),其厚度约为5μm;再在掩模板另一侧抽滤活化石墨烯分散液(正极),其厚度分别约为10μm。涂上双(三氟甲烷磺酰)亚胺钠盐/N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐/(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物电解液,其中电解液中双(三氟甲烷磺酰)亚胺钠盐、N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物的质量分数分别为15%、75%、10%,最后封装;即得到柔性全固态平面交叉指型钠离子电容器。
所得的柔性全固态平面交叉指型钠离子电容器能在电压窗口为3.5V下稳定工作,并且从0度弯曲到180度,容量几乎无衰减。在恒流充放电为0.2mA cm-2时,器件的能量密度为28.9mWh cm-3。
实施例3
本实施例中,以分散在N-甲基吡咯烷酮中的碳纳米管(0.2mg mL-1),分散在N-甲基吡咯烷酮中的石墨(0.5mg mL-1)和分散在N-甲基吡咯烷酮中的石墨烯(0.25mg mL-1)为原料。掩模板为同心圆型,其半径为5mm,宽为2mm,指间距为1mm。基底滤膜为尼龙滤膜,其孔径为0.2μm。先通过掩模板抽滤一层碳纳米管集流体,其厚度约为3μm;然后在掩模板一侧抽滤石墨分散液(负极),其厚度约为3μm;再在掩模板另一侧抽滤石墨烯分散液(正极),其厚度分别约为7μm。涂上高氯酸钠/碳酸乙酯/碳酸二甲酯/(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物电解液,其中高氯酸钠、碳酸乙酯、碳酸二甲酯、(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物的质量分数分别为20%、35%、40%、5%,最后封装;即得到柔性全固态平面同心圆型钠离子电容器。
所得的柔性全固态平面同心圆型钠离子电容器能在电压窗口为3.5V下稳定工作,并且从0度弯曲到180度,容量几乎无衰减。在恒流充放电为0.2mA cm-2时,器件的能量密度为21.6mWh cm-3。
实施例4
本实施例中,以分散在异丙醇中的碳纳米管和铜纳米线(0.1mg mL-1),分散在异丙醇中的氧化钛(1mg mL-1)和分散在异丙醇中的石墨烯(0.25mg mL-1)为原料。掩模板为交叉指型,其长为15mm,宽为1mm,指间距为0.5mm。基底滤膜为尼龙滤膜,其孔径为0.5μm。先通过掩模板抽滤一层碳纳米管和铜纳米线集流体,其厚度约为1μm;然后在掩模板一侧抽滤石墨分散液(负极),其厚度约为6μm;再在掩模板另一侧抽滤石墨烯分散液(正极),其厚度分别约为10μm。涂上双(三氟甲烷磺酰)亚胺钠盐/N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐/(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物电解液,其中电解液中双(三氟甲烷磺酰)亚胺钠盐、N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物的质量分数分别为23%、70%、2%,最后封装;即得到柔性全固态平面交叉指型钠离子电容器。
所得的柔性全固态平面交叉指型钠离子电容器能在电压窗口为3.5V下稳定工作,并且从0度弯曲到180度,容量几乎无衰减。在恒流充放电为0.2mA cm-2时,器件的能量密度为27.6mWh cm-3。
实施例5
本实施例中,以分散在N,N-二甲基甲酰胺中的碳纳米管和镍纳米线(0.1mg mL-1),分散在N,N-二甲基甲酰胺中的硬碳(1mg mL-1)和分散在N,N-二甲基甲酰胺中的活化石墨烯(0.25mg mL-1)为原料。掩模板为交叉指型,其长为15mm,宽为1mm,指间距为0.3mm。基底滤膜为聚丙烯滤膜,其孔径为0.2μm。先通过掩模板抽滤一层碳纳米管和镍纳米线集流体,其厚度约为1μm;然后在掩模板一侧抽滤硬碳分散液(负极),其厚度约为4μm;再在掩模板另一侧抽滤石墨烯分散液(正极),其厚度分别约为9μm。涂上高氯酸钠/碳酸乙酯/碳酸二甲酯/(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物电解液,其中高氯酸钠、碳酸乙酯、碳酸二甲酯、(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物的质量分数分别为10%、35%、40%、15%,最后封装;即得到柔性全固态平面交叉指型钠离子电容器。
所得的柔性全固态平面交叉指型钠离子电容器能在电压窗口为3.5V下稳定工作,并且从0度弯曲到180度,容量几乎无衰减。在恒流充放电为0.2mA cm-2时,器件的能量密度为24.7mWh cm-3。
实施例6
本实施例中,以分散在N-甲基吡咯烷酮中的电化学剥离石墨烯(0.5mg mL-1),分散在N-甲基吡咯烷酮中的钛酸钠(2mg mL-1)和分散在N-甲基吡咯烷酮中的活性炭(0.5mg mL-1)为原料。掩模板为线型,其长为20mm,宽为1mm,指间距为0.2mm。基底滤膜为聚偏氟乙烯滤膜,其孔径为0.2μm。先通过掩模板抽滤一层石墨烯集流体,其厚度约为3μm;然后在掩模板一侧抽滤钛酸钠分散液(负极),其厚度约为3μm;再在掩模板另一侧抽滤活性炭分散液(正极),其厚度分别约为7μm。涂上四氟硼酸钠/1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物电解液,其中电解液中四氟硼酸钠、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)的质量分数分别为5%、85%、10%,最后封装;即得到柔性全固态平面线型钠离子电容器。
所得的柔性全固态平面线型钠离子电容器能在电压窗口为3.5V下稳定工作,并且从0度弯曲到180度,容量几乎无衰减。在恒流充放电为0.2mA cm-2时,器件的能量密度为26.3mWh cm-3。
实施例7
本实施例中,以分散在N,N-二甲基甲酰胺中的电化学剥离石墨烯(0.5mg mL-1),分散在N,N-二甲基甲酰胺中的预嵌钠石墨(0.5mg mL-1)和分散在N,N-二甲基甲酰胺中的活性炭(0.5mg mL-1)为原料。掩模板为线型,其长为20mm,宽为1mm,指间距为0.5mm。基底滤膜为尼龙滤膜,其孔径为0.2μm。先通过掩模板抽滤一层石墨烯集流体,其厚度约为1μm;然后在掩模板一侧抽滤预嵌钠石墨分散液(负极),其厚度约为2μm;再在掩模板另一侧抽滤活性炭分散液(正极),其厚度分别约为5μm。涂上双(三氟甲烷磺酰)亚胺钠盐/N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐/(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物电解液,其中电解液中双(三氟甲烷磺酰)亚胺钠盐、N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物的质量分数分别为15%、70%、15%,最后封装;即得到柔性全固态平面线型钠离子电容器。
所得的柔性全固态平面线型钠离子电容器能在电压窗口为3.5V下稳定工作,并且从0度弯曲到180度,容量几乎无衰减。在恒流充放电为0.2mA cm-2时,器件的能量密度为24.3mWh cm-3。
实施例8
本实施例中,以分散在N,N-二甲基甲酰胺中的电化学剥离石墨烯(0.5mg mL-1),分散在N,N-二甲基甲酰胺中的预嵌钠硬碳(0.5mg mL-1)和分散在N,N-二甲基甲酰胺中的活化石墨烯(0.25mg mL-1)为原料。掩模板为交叉指型,其长为10mm,宽为1mm,指间距为0.5mm。基底滤膜为尼龙滤膜,其孔径为0.2μm。先通过掩模板抽滤一层石墨烯集流体,其厚度约为2μm;然后在掩模板一侧抽滤预嵌钠硬碳分散液(负极),其厚度约为4μm;再在掩模板另一侧抽滤活化石墨烯分散液(正极),其厚度分别约为10μm。涂上双(三氟甲烷磺酰)亚胺钠盐/N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐/(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物电解液,其中电解液中双(三氟甲烷磺酰)亚胺钠盐、N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物的质量分数分别为20%、70%、10%,最后封装;即得到柔性全固态平面交叉指型钠离子电容器。
所得的柔性全固态平面交叉指型钠离子电容器能在电压窗口为3.5V下稳定工作,并且从0度弯曲到180度,容量几乎无衰减。在恒流充放电为0.2mA cm-2时,器件的能量密度为26.8mWh cm-3。
实施例9
本实施例中,以分散在N,N-二甲基甲酰胺中的电化学剥离石墨烯(10mg mL-1),分散在N,N-二甲基甲酰胺中的预嵌钠硬碳(10mg mL-1)和分散在N,N-二甲基甲酰胺中的活化石墨烯(10mg mL-1)为原料。掩模板为同心圆型,起始半径为0.1mm,指间距为0.1mm,指宽为0.5mm。基底滤膜为尼龙滤膜,其孔径为2μm。先通过掩模板抽滤一层石墨烯集流体,其厚度约为100μm;然后在掩模板一侧抽滤预嵌钠硬碳分散液(负极),其厚度约为4μm;再在掩模板另一侧抽滤活化石墨烯分散液(正极),其厚度分别约为10μm。涂上四氟硼酸钠/1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物电解液,其中电解液中四氟硼酸钠、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物的质量分数分别为20%、70%、10%,最后封装;即得到柔性全固态平面同心圆型钠离子电容器。
所得的柔性全固态平面同心圆型钠离子电容器能在电压窗口为3.5V下稳定工作,并且从0度弯曲到180度,容量几乎无衰减。在恒流充放电为0.2mA cm-2时,器件的能量密度为23.6mWh cm-3。
实施例10
本实施例中,以分散在N,N-二甲基甲酰胺中的膨胀石墨(5mg mL-1),分散在N,N-二甲基甲酰胺中的预嵌钠石墨(0.1mg mL-1)和分散在N,N-二甲基甲酰胺中的活化石墨烯(0.1mg mL-1)为原料。掩模板为线型,长为10mm,指间距为2mm,指宽为1mm。基底滤膜为尼龙滤膜,其孔径为1μm。先通过掩模板抽滤一层膨胀石墨集流体,其厚度约为50μm;然后在掩模板一侧抽滤预嵌钠石墨分散液(负极),其厚度约为3μm;再在掩模板另一侧抽滤活化石墨烯分散液(正极),其厚度分别约为9μm。涂上四氟硼酸钠/1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物电解液,其中电解液中四氟硼酸钠、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物的质量分数分别为20%、70%、10%,最后封装;即得到柔性全固态平面线型钠离子电容器。
所得的柔性全固态平面线型钠离子电容器能在电压窗口为3.5V下稳定工作,并且从0度弯曲到180度,容量几乎无衰减。在恒流充放电为0.2mA cm-2时,器件的能量密度为26.8mWh cm-3。
实施例1~8中平面钠离子电容器的几何构型典型地如图1所示。图1是根据本申请的实施例1制备的柔性全固态平面交叉指型钠离子电容器示意图。实施例2~8中的平面钠离子电容器的几何构型基本类似于图1,为了避免重复,不再单独示出。同时,以示例的方式示出了实施例2制备的柔性全固态平面交叉指型钠离子电容器的充放电曲线,见图2。从图2可以看出:该电容器结合了电容和电池行为。鉴于其他实施例制备的电容器的充放电曲线均类似于图2,不再示出。
同时,对实施例1-10中制备得到的平面型钠离子电容器进行倒置和变形,说明钠离子电容器无液体电解液泄漏问题。
对比例1
本实施例中,以分散在乙醇中的电化学剥离石墨烯(0.05mg mL-1)和分散在乙醇中的活性炭(0.25mg mL-1)。掩模板为交叉指型,其长为10mm,宽为2mm,指间距为0.4mm。基底滤膜为聚四氟乙烯滤膜,其孔径为0.2μm。先通过掩模板抽滤一层石墨烯集流体,其厚度约为2μm;然后在掩模板一侧抽滤活性炭分散液(负极),其厚度约为10μm;再在掩模板另一侧抽滤活性炭分散液(正极),其厚度分别约为10μm。涂上双(三氟甲烷磺酰)亚胺钠盐/1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物电解液,其中电解液中双(三氟甲烷磺酰)亚胺钠盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物的质量分数分别为10%、82%、8%,最后封装;即得到柔性全固态平面交叉指型电容器。
所得的柔性全固态平面交叉指型电容器能在电压窗口为3.5V下稳定工作,并且从0度弯曲到180度,容量几乎无衰减。在恒流充放电为0.2mA cm-2时,器件的能量密度为16.6mWh cm-3。
通过将实施例1-10与对比例1对比可知,本申请提供的钠离子电容器能量密度高,性能好。
以上所述,仅是本申请的几个实施例,并非对本申请做任何形式的限制,虽然本申请以较佳实施例揭示如上,然而并非用以限制本申请,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本申请技术方案的范围内,利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例,均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种平面钠离子电容器,其特征在于,包括:
集流体;
在集流体上共面设置的正极和负极;和
电解液,所述电解液为凝胶电解液;
其中,所述正极和负极间隔开。
2.根据权利要求1所述的平面钠离子电容器,其特征在于,所述集流体设置在柔性基底上;
所述柔性基底的材料选自聚四氟乙烯滤膜、聚偏氟乙烯滤膜、聚丙烯滤膜或尼龙滤膜中的一种;
优选地,所述正极的电容材料包括活性炭、碳纳米管、石墨烯或活化石墨烯中的一种或多种的组合;
所述负极的电池材料包括钛酸钠、氧化钛、五氧化二铌、石墨、硬碳、预嵌钠石墨或预嵌钠硬碳中的一种或多种的组合;
所述集流体的集流体材料包括石墨烯、碳纳米管、膨胀石墨、铜纳米线、镍纳米线中的一种或多种的组合;
优选地,所述平面钠离子电容器的几何构型选自交叉指型、线形或同心圆型中的至少一种;
优选地,所述凝胶电解液包括钠盐、溶剂和聚合物;
其中,所述钠盐在所述凝胶电解液中的质量分数为5-25%;
所述溶剂在所述凝胶电解液中的质量分数为60-93%;
所述聚合物在所述凝胶电解液中的质量分数为2-15%;
优选地,所述钠盐选自高氯酸钠、四氟硼酸钠或双(三氟甲烷磺酰)亚胺钠盐中的至少一种;
所述溶剂选自碳酸乙酯、碳酸二甲酯、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐中的至少一种;
所述聚合物包括(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物。
3.权利要求1至2任一项所述的平面钠离子电容器的制备方法,其特征在于,包括:
1)利用掩模板形成集流体;
2)利用所述掩模板在集流体上形成共面的正极和负极;
其中,所述正极和所述负极彼此间隔开;
3)在所述正极和所述负极上涂敷电解液,封装,得到所述平面钠离子电容器。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤1)包括:利用基底上的掩模板抽滤集流体分散液,在基底表面形成导电层,得到所述集流体;
优选地,所述掩模板的几何构型选自交叉指型、线形或同心圆型中的至少一种;
优选地,所述基底选自聚四氟乙烯滤膜、聚偏氟乙烯滤膜、聚丙烯滤膜或尼龙滤膜中的一种;
优选地,所述聚四氟乙烯滤膜、聚偏氟乙烯滤膜、聚丙烯滤膜或尼龙滤膜的孔径为0.02-2μm;
优选地,所述集流体分散液包括集流体材料和分散剂Ⅰ;
所述集流体材料包括石墨烯、碳纳米管、膨胀石墨、铜纳米线、镍纳米线中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,形成所述正极包括:利用集流体上的所述掩模板抽滤电容材料分散液,在集流体表面上形成所述正极;
优选地,所述电容材料分散液包括电容材料和分散剂Ⅱ;
所述电池材料包括钛酸钠、氧化钛、五氧化二铌、石墨、硬碳、预嵌钠石墨或预嵌钠硬碳中的一种或多种的组合;
优选地,形成所述负极包括:利用集流体上的所述掩模板抽滤电池材料分散液,在集流体表面上形成所述负极。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述电池材料分散液包括电池材料和分散剂Ⅲ;
所述电容材料包括活性炭、碳纳米管、石墨烯或活化石墨烯中的一种或多种的组合。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述掩模板包括第一部分和第二部分;
利用所述第一部分和所述第二部分抽滤所述集流体分散液;
利用所述第一部分抽滤所述电容材料分散液;
利用所述第二部分抽滤所述电池材料分散液。
8.根据权利要求4~6中任一项所述的制备方法,其特征在于,分散剂Ⅰ、分散剂Ⅱ、分散剂Ⅲ各自选自乙醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种的组合。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,交叉指型掩模板的指长为0.1-40mm,指宽为0.1-10mm,指间距为0.1-5mm;
同心圆型掩模板的起始半径为0.1-5mm,指间距为0.1-5mm,指宽为0.5-10mm;
线型掩模板的长为10-100cm,宽为0.5-2mm,指间距为0.1-1mm;
优选地,所述集流体分散液的浓度为0.05-10mg mL-1;
所述集流体的厚度为0.1-100μm;
优选地,所述电容材料分散液的浓度为0.1-10mg mL-1;
优选地,电池材料分散液的浓度为0.1-10mg mL-1;
优选地,所述凝胶电解液包括钠盐、溶剂和聚合物;
其中,所述钠盐在所述凝胶电解液中的质量分数为5-25%;
所述溶剂在所述凝胶电解液中的质量分数为60-93%;
所述聚合物在所述凝胶电解液中的质量分数为2-15%;
优选地,所述钠盐选自高氯酸钠、四氟硼酸钠或双(三氟甲烷磺酰)亚胺钠盐中的至少一种;
所述溶剂选自碳酸乙酯、碳酸二甲酯、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐中的至少一种;
所述聚合物包括(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物。
10.根据权利要求1~2任一项所述的平面钠离子电容器或根据权利要求3~9任一项所述的制备方法制得的平面钠离子电容器在可穿戴电子器件中的应用。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200602 |