CN114300278A - 一种高电压窗口线性共轴结构超级电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高电压窗口线性共轴结构超级电容器及其制备方法，其中超级电容器包括位于中心处的碳纤维线与包裹在碳纤维线外表面的镍箔，所述碳纤维线与镍箔之间填充有离子液体凝胶，其中碳纤维线作为内电极，镍箔作为外电极，离子液体凝胶作为固态电解质。制备方法采用涂覆法将超级电容器进行有效的装配，装配完成后制备得到具有同轴结构的线性超级电容器。本发明所制备的线性超级电容器可广泛用于柔性，可折叠性，易穿戴及便携性的储能领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种高电压窗口线性共轴结构超级电容器及其制备方法
背景技术
随着智能穿戴的发展，柔性储能设备已经成为了新能源领域中的研究热点之一。在柔性储能设备中，线性超级电容器以其优异的表现，吸引了研究人员的注意。
线性超级电容器具有体积小、质量轻、灵活性高、以及便于人体穿戴的优点，而且线性超级电容器具有与传统超级电容器相媲美的快速冲放能力以及超长的使用寿命，
因此，线性超级电容器的研究和发展，对于可穿戴电子设备的应用具有十分重要的意义。
目前的研究工作都是将电活性物质涂覆或生长在两根线状的基底上得到线性电极，再将其相互缠绕制备出了线性超级电容器。但是，两根缠绕的线状电极在弯曲过程容易分开，并且存在着较高的接触阻抗，因此很大程度的影响了线性超级电容器的力学性能和电化学稳定性。此外，目前研究的线性超级电容器都受限于其低的工作电压通常不超过2.5V，极大限制了其比能量。较低的电位窗口,导致线性超级电容器能量密度无法满足实际应用需求。
发明内容
本发明的目的是为了解决以上现有技术的不足，提供了一种高电压窗口线性共轴结构超级电容器及其制备方法。
一种高电压窗口线性共轴结构超级电容器，其中使用活性炭涂覆的碳纤维线和镍箔分别作为内电极和外电极，同时离子液体凝胶作为固态电解质，制备的线性共轴结构超级电容器具有高电压窗口、以及高能量密度，同时展现出良好的柔韧性和优异的电化学稳定性。
上述超级电容的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将活性炭和导电剂混合，然后加入粘结剂和水，搅拌成浆液；
步骤二、取等量的步骤一得到的浆液分别均匀的涂覆于柔性的碳纤维线和镍箔上，真空干燥24小时下得到涂覆活性炭的碳纤维线和镍箔；
步骤三、利用N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐，配制离子液体凝胶电解质；
步骤四、将步骤二得到的涂覆活性炭的碳纤维线作为内电极，在其表面涂上一层致密的固态离子液体凝胶电解质；
步骤五、将步骤二得到的涂覆活性炭的镍箔作为外电极，均匀的包裹在步骤三得到的覆盖离子液体凝胶的内电极上，真空干燥6小时，得到线性共轴结构超级电容器。
进一步地，步骤一中的浆液中活性炭，乙炔黑导电剂和聚丙烯酸粘结剂的质量分数分别为85％，5％，10％。
进一步地，步骤二中的浆液的质量为6～30mg。
进一步地，步骤二中的碳纤维线的直径是0.2cm，长度为3～9cm。
进一步地，步骤二中的镍箔的宽度为1cm，长度为3～9cm。
进一步地，步骤二中的干燥的温度为80～160℃。
进一步地，步骤五中的干燥的温度为40～60℃。
有益效果：
1、使用碳纤维线和镍箔作为柔性基底，并采用较为成熟可控的涂覆法进行生产制备，使得所制得的电极不仅具有高的电活性材料加载量，以及具有可控的体积与尺寸大小。
2、本发明公开的线性超级电容器为共轴结构，共轴结构可以保证线性超级电容具有稳定的力学性能，较低的接触阻抗以及良好的电化学稳定性。
3、同时与其他的柔性储能设备相比，本方法制备的线性超级电容具有宽电压窗口以及高能量密度，同时具有优异的柔韧性和电化学性能。
附图说明：
图1是实施例1制备的线性共轴结构超级电容器的组装示意图；
图2是实施例1制备的线性共轴结构超级电容器的循环伏安曲线图；
图3是实施例1制备的线性共轴结构超级电容器在不同电流密度下的充放电曲线图；
图4是实施例1制备的线性共轴结构超级电容器在不同电流密度下的能量密度和功率密度三维图；
图5是实施例1制备的线性共轴结构超级电容器在不同弯曲下的循环伏安曲线图；
图6是实施例1制备的线性共轴结构超级电容器的循环性能曲线；
1.镍箔 2.碳纤维线 3.离子液体凝胶。
具体实施方式
以下将以图式揭露本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。
实施例1：
将活性炭和乙炔黑导电剂充分混合，然后加入聚丙烯酸粘结剂和水，室温下搅拌24小时成浆液。其中保证活性炭，导电剂和粘结剂的质量分数分别为85％，5％，10％；
取18mg的浆液均匀的涂覆于直径是0.2cm，长度为6cm的碳纤维线上，同时取等量的浆液均匀的涂覆在宽度为1cm，长度为6cm的镍箔上，120℃下真空干燥24小时下得到涂覆活性炭的碳纤维线和镍箔；
取0.52g偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和1.86g N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐，溶解到5mL的丙酮中，室温下搅拌10小时，得到粘稠的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的碳纤维线作为内电极，在其表面均匀的涂上一层致密的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的镍箔作为外电极，均匀的包裹在覆盖离子液体凝胶的内电极上，50℃下真空干燥6小时，得到线性共轴结构超级电容器。
如图1所示，活性炭涂覆的碳纤维线和镍箔分别作为内电极和外电极，离子液体凝胶作为固态电解质。
图2-4是实施例1得到的线性共轴结构超级电容器的电化学性能的表征图。结果发现这种线性共轴结构超级电容器拥有优越的电化学性能，同时具有高电压窗口(0～4.5V)，其能量密度最大可以达到91.1Wh/kg，功率密度高达18.12kW/kg。
图5是实施例1得到的线性共轴结构超级电容器在不同弯曲下的循环伏安曲线。
可以看出，在不同的弯曲角度下，循环伏安曲线的形状没有明显的变化。这说明本实施例得到线性共轴结构超级电容器在承受不同的弯曲时，依然能够保持稳定的电化学性能。
图6是实施例1得到的线性共轴结构超级电容器的循环稳定性曲线。
在4000次的反复充放电后，线性共轴结构超级电容器的电容保持率依然可以维持在初始容量的96％左右。
实施例2
将活性炭和乙炔黑导电剂充分混合，然后加入聚丙烯酸粘结剂和水，室温下搅拌24小时成浆液。其中保证活性炭，导电剂和粘结剂的质量分数分别为85％，5％，10％；
取6mg的浆液均匀的涂覆于直径是0.2cm，长度为6cm的碳纤维线上，同时取等量的浆液均匀的涂覆在宽度为1cm，长度为6cm的镍箔上，120℃下真空干燥24小时下得到涂覆活性炭的碳纤维线和镍箔；
取0.52g偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和1.86g N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐，溶解到5mL的丙酮中，室温下搅拌10小时，得到粘稠的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的碳纤维线作为内电极，在其表面均匀的涂上一层致密的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的镍箔作为外电极，均匀的包裹在覆盖离子液体凝胶的内电极上，50℃下真空干燥6小时，得到线性共轴结构超级电容器。
实施例3
将活性炭和乙炔黑导电剂充分混合，然后加入聚丙烯酸粘结剂和水，室温下搅拌24小时成浆液。其中保证活性炭，导电剂和粘结剂的质量分数分别为85％，5％，10％；
取30mg的浆液均匀的涂覆于直径是0.2cm，长度为6cm的碳纤维线上，同时取等量的浆液均匀的涂覆在宽度为1cm，长度为6cm的镍箔上，120℃下真空干燥24小时下得到涂覆活性炭的碳纤维线和镍箔；
取0.52g偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和1.86g N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐，溶解到5mL的丙酮中，室温下搅拌10小时，得到粘稠的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的碳纤维线作为内电极，在其表面均匀的涂上一层致密的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的镍箔作为外电极，均匀的包裹在覆盖离子液体凝胶的内电极上，50℃下真空干燥6小时，得到线性共轴结构超级电容器。
实施例4
将活性炭和乙炔黑导电剂充分混合，然后加入聚丙烯酸粘结剂和水，室温下搅拌24小时成浆液。其中保证活性炭，导电剂和粘结剂的质量分数分别为85％，5％，10％；
取18mg的浆液均匀的涂覆于直径是0.2cm，长度为3cm的碳纤维线上，同时取等量的浆液均匀的涂覆在宽度为1cm，长度为3cm的镍箔上，120℃下真空干燥24小时下得到涂覆活性炭的碳纤维线和镍箔；
取0.52g偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和1.86g N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐，溶解到5mL的丙酮中，室温下搅拌10小时，得到粘稠的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的碳纤维线作为内电极，在其表面均匀的涂上一层致密的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的镍箔作为外电极，均匀的包裹在覆盖离子液体凝胶的内电极上，50℃下真空干燥6小时，得到线性共轴结构超级电容器。
实施例5
将活性炭和乙炔黑导电剂充分混合，然后加入聚丙烯酸粘结剂和水，室温下搅拌24小时成浆液。其中保证活性炭，导电剂和粘结剂的质量分数分别为85％，5％，10％；
取18mg的浆液均匀的涂覆于直径是0.2cm，长度为9cm的碳纤维线上，同时取等量的浆液均匀的涂覆在宽度为1cm，长度为9cm的镍箔上，120℃下真空干燥24小时下得到涂覆活性炭的碳纤维线和镍箔；
取0.52g偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和1.86g N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐，溶解到5mL的丙酮中，室温下搅拌10小时，得到粘稠的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的碳纤维线作为内电极，在其表面均匀的涂上一层致密的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的镍箔作为外电极，均匀的包裹在覆盖离子液体凝胶的内电极上，50℃下真空干燥6小时，得到线性共轴结构超级电容器。
实施例6
将活性炭和乙炔黑导电剂充分混合，然后加入聚丙烯酸粘结剂和水，室温下搅拌24小时成浆液。其中保证活性炭，导电剂和粘结剂的质量分数分别为85％，5％，10％；
取18mg的浆液均匀的涂覆于直径是0.2cm，长度为6cm的碳纤维线上，同时取等量的浆液均匀的涂覆在宽度为1cm，长度为6cm的镍箔上，80℃下真空干燥24小时下得到涂覆活性炭的碳纤维线和镍箔；
取0.52g偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和1.86g N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐，溶解到5mL的丙酮中，室温下搅拌10小时，得到粘稠的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的碳纤维线作为内电极，在其表面均匀的涂上一层致密的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的镍箔作为外电极，均匀的包裹在覆盖离子液体凝胶的内电极上，50℃下真空干燥6小时，得到线性共轴结构超级电容器。
实施例7
将活性炭和乙炔黑导电剂充分混合，然后加入聚丙烯酸粘结剂和水，室温下搅拌24小时成浆液。其中保证活性炭，导电剂和粘结剂的质量分数分别为85％，5％，10％；
取18mg的浆液均匀的涂覆于直径是0.2cm，长度为6cm的碳纤维线上，同时取等量的浆液均匀的涂覆在宽度为1cm，长度为6cm的镍箔上，160℃下真空干燥24小时下得到涂覆活性炭的碳纤维线和镍箔；
取0.52g偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和1.86g N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐，溶解到5mL的丙酮中，室温下搅拌10小时，得到粘稠的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的碳纤维线作为内电极，在其表面均匀的涂上一层致密的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的镍箔作为外电极，均匀的包裹在覆盖离子液体凝胶的内电极上，50℃下真空干燥6小时，得到线性共轴结构超级电容器。
实施例8
将活性炭和乙炔黑导电剂充分混合，然后加入聚丙烯酸粘结剂和水，室温下搅拌24小时成浆液。其中保证活性炭，导电剂和粘结剂的质量分数分别为85％，5％，10％；
取18mg的浆液均匀的涂覆于直径是0.2cm，长度为6cm的碳纤维线上，同时取等量的浆液均匀的涂覆在宽度为1cm，长度为6cm的镍箔上，120℃下真空干燥24小时下得到涂覆活性炭的碳纤维线和镍箔；
取0.52g偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和1.86g N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐，溶解到5mL的丙酮中，室温下搅拌10小时，得到粘稠的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的碳纤维线作为内电极，在其表面均匀的涂上一层致密的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的镍箔作为外电极，均匀的包裹在覆盖离子液体凝胶的内电极上，40℃下真空干燥6小时，得到线性共轴结构超级电容器。
实施例9
将活性炭和乙炔黑导电剂充分混合，然后加入聚丙烯酸粘结剂和水，室温下搅拌24小时成浆液。其中保证活性炭，导电剂和粘结剂的质量分数分别为85％，5％，10％；
取18mg的浆液均匀的涂覆于直径是0.2cm，长度为6cm的碳纤维线上，同时取等量的浆液均匀的涂覆在宽度为1cm，长度为6cm的镍箔上，120℃下真空干燥24小时下得到涂覆活性炭的碳纤维线和镍箔；
取0.52g偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和1.86g N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐，溶解到5mL的丙酮中，室温下搅拌10小时，得到粘稠的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的碳纤维线作为内电极，在其表面均匀的涂上一层致密的离子液体凝胶电解质；
将涂覆活性炭的镍箔作为外电极，均匀的包裹在覆盖离子液体凝胶的内电极上，60℃下真空干燥6小时，得到线性共轴结构超级电容器
实施例2-9得到的线性共轴结构超级电容器的性能与实施例1类似，这里不再赘述。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，仅为了说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种高电压窗口线性共轴结构超级电容器，其特征在于，包括位于中心处的碳纤维线与包裹在碳纤维线外表面的镍箔，所述碳纤维线与镍箔之间填充有离子液体凝胶，其中碳纤维线作为内电极，镍箔作为外电极，离子液体凝胶作为固态电解质。
2.根据权利要求1所述的一种高电压窗口线性共轴结构超级电容器，其特征在于，所述镍箔的内表面涂敷有活性炭。
3.如权利要求1-2中任一权利要求所述的一种高电压窗口线性共轴结构超级电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将活性炭和导电剂混合，然后加入粘结剂和水，搅拌成浆液；
S2、取等量的浆液分别均匀的涂覆于柔性的碳纤维线和镍箔上，真空干燥24小时下得到表面涂覆活性炭的碳纤维线和镍箔；
S3、利用N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐，配制离子液体凝胶电解质；
S4、将S2得到的涂覆活性炭的碳纤维线作为内电极，在其表面涂上一层致密的离子液体凝胶电解质；
S5、将S2得到的涂覆活性炭的镍箔作为外电极，均匀的包裹在S3得到的覆盖离子液体凝胶的内电极上，得到线性共轴结构超级电容器。
4.跟据权利要求3所述的一种高电压窗口线性共轴结构超级电容器的制备方法，其特征在于，S1中配制的浆液中，活性炭，乙炔黑导电剂和聚丙烯酸粘结剂的质量分数分别为85％，5％，10％。
5.跟据权利要求3所述的一种高电压窗口线性共轴结构超级电容器的制备方法，其特征在于，所述碳纤维线的直径为0.2cm，长度为3-9cm。
6.跟据权利要求3所述的一种高电压窗口线性共轴结构超级电容器的制备方法，其特征在于，S4中，对涂覆有离子液体凝胶的碳纤维线进行干燥，干燥的温度为40-60℃。
7.跟据权利要求3所述的一种高电压窗口线性共轴结构超级电容器的制备方法，其特征在于，S2中，干燥温度为80-160℃。
8.跟据权利要求3所述的一种高电压窗口线性共轴结构超级电容器的制备方法，其特征在于，镍箔的宽度为1cm，长度为4～8cm。
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| Title |
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| XUEYING CAO等: "Flexible coaxial fiber-shaped asymmetric supercapacitors based on manganese, nickel cosubstituted cobalt carbonate hydroxides", 《JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A》, vol. 8, no. 4, 16 December 2019 (2019-12-16), pages 1837 - 1848 * |
| 刘连梅等: "纤维状超级电容器的发展现状", 《中国材料进展》, vol. 35, no. 2, 29 February 2016 (2016-02-29), pages 81 - 90 * |
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