CN113506690B - 一种基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料及制备与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料及制备与应用；制备步骤：利用掩模版，在柔性基材上制备图案化镍金属颗粒/液态金属可拉伸集流体；通过三电极电化学恒电位沉积的方法，在集流体表面沉积一层对甲苯磺酸钠掺杂的聚吡咯。活性层聚吡咯与集流体结合紧密，且具有较大的比表面积，用于超级电容器电极材料时，具有优异的电化学性能，在弯曲和拉伸形变下具有良好的电化学保持率。本发明制备工艺简单，首次实现了基于聚吡咯/液态金属材料可拉伸超级电容器电极材料的制备，在可穿戴储能器件领域具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及柔性储能材料，尤其涉及一种基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料及制备与应用。
背景技术
随着可穿戴柔性电子器件的发展，在实际应用过程中储能模块不可或缺，受到广泛的关注。
在使用过程中，可穿戴设备受到人类活动的影响，需要承受一定弯曲、扭曲和拉伸应变。聚吡咯材料具有较高的赝电容，在柔性超级电容器领域得到众多科研人员的深入研究。
由于导电聚合物聚吡咯的拉伸性较差，在目前的研究过程中基于聚吡咯制备柔性可拉伸超级电容器电极材料通常采取一定的结构设计，对于基于聚吡咯本征可拉伸超级电容器电极材料研究较少。
因此，通过材料选择和结构设计制备基于聚吡咯的本征可拉伸超级电容器电极材料具有重要研究意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料及制备与应用。本发明可拉伸电极材料解决了现有技术加工性差，以及在基材上难以实现图案化的问题。
本发明有利于拓宽柔性可拉伸超级电容电极材料的研究内涵和范围，具有工艺简单、高效，应用广阔。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料制备方法，其包括如下步骤：
步骤一：以金属颗粒/液态金属复合材料在柔性基材制备可拉伸电极材，料作为集流体；
步骤二：以步骤一中制备的可拉伸电极为工作电极，铂电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，以含有吡咯和掺杂剂的溶液为电解液，通过恒电位电化学沉积5～40min，最终得到基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料。
优选的，步骤(1)所述金属颗粒为金或镍金属颗粒。
优选的，步骤(1)所述柔性基材为VHBTM胶带等柔性高分子基材。
优选的，步骤(2)所述电解液溶液中吡咯与水的体积比为5：100ml。
优选的，步骤(2)所述掺杂剂溶液为对甲基苯磺酸钠，浓度为0.3M。
优选的，步骤(2)所述沉积电位为0.8～1.1V。
优选的，步骤(2)所述沉积时间为5～40min。
一种基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料，在柔性可拉伸超级电容器中作为电极的应用，具体如下：
基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料，直接作为柔性可拉伸超级电容器的工作电极；以0.5M硫酸钠和10％的对羟乙基纤维素凝胶物质为凝胶电解质，组装成柔性可拉伸超级电容器，测试其CV曲线以及在弯曲和拉伸状态下的稳定性。
本发明以0.5M硫酸钠和10％的对羟乙基纤维素凝胶物质为凝胶电解质为常规凝胶电解质，为本领域技术人员的常规选择。
本发明借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)以及电化学测试技术对所制备基于聚吡咯/液态金属柔性可拉伸超级电容器电极材料进行微观形貌、化学结构及电化学性能进行表征。结果表明：由SEM图和XPS N1s谱图可知，通过电化学沉积成功在导电金属颗粒/液态金属集流体表面制备聚吡咯，XPS N1s谱图中出现了与C-N+,C＝N,-NH-等对应的信号峰；基于聚吡咯/液态金属柔性可拉伸电极具有良好的电化学性能，在弯曲和拉伸状态下具有较高的容量保持率，可用于柔性可拉伸超级电容器电极材料。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)本发明采用镍/液态金属复合材料为集流体，具有良好的加工性，可在柔性基材上实现图案化。
(2)本发明所述基于聚吡咯/液态金属柔性可拉伸超级电容器电极材料的制备方法，制备工艺简单，活性物质聚吡咯具有较大的比表面积，有利于电化学反应的进行。
(3)以可拉伸的镍/液态金属为可拉伸电极材料制备的基于聚吡咯/液态金属柔性可拉伸超级电容器电极材料在发生拉伸应变时，活性物质聚吡咯和集流体之间保持较好的界面作用，拉伸后活性物质裂纹之间的集流体保持良好的导电性，使其具有良好的比电容保持率。
附图说明
图1为本发明实施案例1制备的基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料的SEM图；
图2为本发明实施案例2制备的基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料的XPS图；
图3为本发明实施案例3制备的基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料在10～160mV/s扫速下的CV曲线；
图4为本发明实施案例3制备的基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料在10～160mV/s扫速下的比电容变化曲线；
图5为本发明制备的基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料50％应变下循环100次的比电容变化曲线。
具体实施方式
本发明利用掩模版，在柔性基材上制备图案化镍金属颗粒/液态金属可拉伸集流体；通过三电极电化学恒电位沉积的方法，在集流体表面沉积一层对甲苯磺酸钠掺杂的聚吡咯。活性层聚吡咯与集流体结合紧密，且具有较大的比表面积，用于超级电容器电极材料时，具有优异的电化学性能，在弯曲和拉伸形变下具有良好的电化学保持率。本发明制备工艺简单，首次实现了基于聚吡咯/液态金属材料可拉伸超级电容器电极材料的制备，在可穿戴储能器件领域具有重要的应用前景。
下面结合具体实施案例对本发明作进一步具体详细描述。
实施案例1：
本实施案例所述基于聚吡咯/液态金属柔性可拉伸电极材料的制备方法，具体步骤如下：
将10％镍/液态金属复合材料刮涂到VHBTM胶带上，置于电解液溶液(电解液中吡咯与水的体积比为5：100ml，对甲基苯磺酸钠浓度为0.3M)中，以Ag/AgCl为参比电极，沉积电位为0.8V，恒电压沉积20min，可在镍/液态金属集流体表面沉积一层黑色聚吡咯，具体形貌如附图1SEM图所示。
直接以本实验所制备的基于聚吡咯/液态金属柔性可拉伸电极材料为超级电容器的正负极材料，以0.5M硫酸钠和10％的对羟乙基纤维素凝胶物质为凝胶电解质，组装成柔性可拉伸超级电容器，测试其在不同扫速下的CV曲线及其拉伸状态下的比电容保持性能，结果表明，该超级电容器的比电容高，拉伸状态下电容保持率好。
实施案例2：
本实施案例所述基于聚吡咯/液态金属柔性可拉伸电极材料的制备方法，具体步骤如下：
将10％镍/液态金属复合材料刮涂到VHBTM胶带上，置于电解液溶液(电解液中吡咯与水的体积比为5：100ml，对甲基苯磺酸钠浓度为0.3M)中，以Ag/AgCl为参比电极，沉积电位为1.1V，恒电压沉积5min，可在镍/液态金属集流体表面沉积一层黑色聚吡咯，化学组成和结构表征如附图2XPS图所示。
直接以本实验所制备的基于聚吡咯/液态金属柔性可拉伸电极材料为超级电容器的正负极材料，以0.5M硫酸钠和10％的对羟乙基纤维素凝胶物质为凝胶电解质，组装成柔性可拉伸超级电容器，测试其在不同扫速下的CV曲线及其拉伸状态下的比电容保持性能，结果表明，该超级电容器的比电容高，拉伸状态下电容保持率好。
实施案例3：
本实施案例所述基于聚吡咯/液态金属柔性可拉伸电极材料的制备方法，具体步骤如下：
将15％镍/液态金属复合材料刮涂到VHBTM胶带上，置于电解液溶液(电解液中吡咯与水的体积比为5：100ml，对甲基苯磺酸钠浓度为0.3M)中，以Ag/AgCl为参比电极，沉积电位为0.9V，恒电压沉积20min，可在镍/液态金属集流体表面沉积一层黑色聚吡咯。
直接以本实验所制备的基于聚吡咯/液态金属柔性可拉伸电极材料为超级电容器的正负极材料，以0.5M硫酸钠和10％的对羟乙基纤维素凝胶物质为凝胶电解质，组装成柔性可拉伸超级电容器，测试其在不同扫速下的CV曲线及其拉伸状态下的比电容保持性能，结果表明，该超级电容器的比电容高，不同扫描速度下的CV曲线如附图3和附图4所示：扫描速度为10mV/s时，比电容为30.24mF/cm2，拉伸状态下电容保持率好。
实施案例4：
本实施案例所述基于聚吡咯/液态金属柔性可拉伸电极材料的制备方法，具体步骤如下：
将15％镍/液态金属复合材料刮涂到VHBTM胶带上，置于电解液溶液(电解液中吡咯与水的体积比为5：100ml，对甲基苯磺酸钠浓度为0.3M)中，以Ag/AgCl为参比电极，沉积电位为1V，恒电压沉积20min，可在镍/液态金属集流体表面沉积一层黑色聚吡咯。
直接以本实验所制备的基于聚吡咯/液态金属柔性可拉伸电极材料为超级电容器的正负极材料，以0.5M硫酸钠和10％的对羟乙基纤维素凝胶物质为凝胶电解质，组装成柔性可拉伸超级电容器，测试其在不同扫速下的CV曲线及其拉伸状态下的比电容保持性能，结果表明，该超级电容器的比电容高，拉伸状态下电容保持率好，拉伸应变为50％时循环次数100次的比电容变化曲线如附图5所示。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：以金属颗粒/液态金属复合材料，在柔性基材上制备可拉伸电极，作为集流体；
步骤二：以步骤（1）中制备的可拉伸电极为工作电极，铂电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，以含有吡咯和掺杂剂的溶液为电解液，通过恒电位电化学沉积，沉积电位为0.8V，沉积时间为5min，最终得到基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料。
2.根据权利要求1所述基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料的制备方法，其特征在于：
所述金属颗粒为金或镍金属颗粒，掺入量为10~30%；所述液态金属为镓铟锡合金。
3.根据权利要求2所述基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料的制备方法，其特征在于：
所述柔性基材为VHBTM胶带。
4.根据权利要求3所述基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料的制备方法，其特征在于：
步骤二所述电解液中吡咯与水的体积比为5：100。
5.根据权利要求4所述基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料的制备方法，其特征在于：
步骤二所述电解液中掺杂剂种类为对甲基苯磺酸钠，浓度为0.3 M。
6.一种基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料，其特征在于采用权利要求1-5中任一项所述制备方法获得。
7.一种权利要求6所述基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料，在柔性可拉伸超级电容器中作为电极的应用，具体如下：
基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料，直接作为柔性可拉伸超级电容器的工作电极；以0.5M硫酸钠和10%的对羟乙基纤维素凝胶物质为凝胶电解质，组装成柔性可拉伸超级电容器。
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| GR01 | Patent grant | ||
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