CN114334480B - 基于NiHCF的印刷柔性超级电容器的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于NiHCF的印刷柔性超级电容器的制备方法及应用，从提升电极材料本身的电化学性能出发，本发明所提出的策略主要是使用NaOH碱溶液对前驱体NiHCF纳米立方体进行刻蚀，制备了电化学性能优异的具有异质结构的NiHCF纳米电极材料，随后将该电极材料配制成粘度范围在10‑40Pa.s，固含量为30％左右的丝网印刷油墨，最后通过印刷得到叉指和夹层结构的超级电容器，具有3mF cm‑2的大面积比电容。该印刷超级电容器弯折至180°，仍可稳定的驱动LED灯。本发明为低成本、大批量柔性印刷超级电容器的制备提供了新的技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及印刷储能器件技术领域，具体涉及一种基于NiHCF的印刷柔性超级电容器的制备方法及应用。
背景技术
随着物联网技术的发展，人们对可穿戴电子设备的需求日益增加，例如柔性显示器、可穿戴传感器和可植入医疗设备等。然而，由于轻薄、柔性和稳定的储能设备的缺乏，阻碍了下一代可穿戴电子设备的发展。因此，开发低成本、高性能、稳定和安全的柔性能源设备仍然是满足当前柔性可穿戴电子设备实际应用要求的重大挑战。目前市场上常用的柔性能源设备主要有柔性锂离子电池和柔性超级电容器，柔性超级电容器(FlexibleSupercapacitors,FSCs)因其充放电速度快、轻薄、易于集成、功率密度高和安全的优点逐渐成为最有前途的可穿戴能源设备。目前柔性超级电容器的制造方法主要有传统的激光刻蚀、涂布和掩模版法，这些方法因设备昂贵或制备过程繁琐，都不能实现柔性超级电容器的批量化生产。与传统制造方法不同，印刷电子为FSCs的制造提供了一种低成本且可快速大批量生产的解决方法。
一般来说高性能印刷FSCs的制备主要取决于高性能电极材料的开发与设计和功能油墨的成功配制，其中电极材料是决定最终印刷器件性能的核心部件。普鲁士蓝类似物(PBA，AxM1[M2(CN)6]y·nH2O：A：碱金属；M：过渡金属；0≤x≤2；y≤1)，具有开放框架、理论比电容高和合成方法简单、成本低的优点，是一个很有前途的电极材料，引起了研究人员的广泛关注。然而，PBA对其低自旋氧化还原电子对(Fe LS(C))的利用不足，导致其电容量下降和倍率能力受限。目前许多研究人员通过复合碳材料或其他电极材料来增加其活性位点，提升其储能性能，但这都是从外部来优化，并没有从本质上改善PBAs的电化学性能。根据赝电容的充放电机理，电解质离子是从电极材料的表面发生可逆的氧化还原反应来进行储能，因此本发明提出了一种简单的碱刻蚀的策略来增加PBAs电极材料表面的氧化还原位点，从而提升其电化学性能。并且成功地将该功能材料配制成可印刷的功能油墨来制备印刷柔性超级电容器，为可穿戴电子设备的储能应用提供技术研究基础。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是实现高性能NiHCF基印刷柔性超级电容器的制备，解决如何提高PBAs电极材料自身的储能性能的问题并将其配制成可印刷的功能油墨。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种基于NiHCF的印刷柔性超级电容器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：前驱体NiHCF的合成：首先将2.42g的Na3[Fe(CN)6]·10H2O溶解在250mL的超纯水中，搅拌5分钟，得到澄清的溶液A；随后将5.88g的Na3C6H5O7和1g的NiCl2·6H2O溶解在250mL的超纯水中，超声搅拌形成均匀的溶液B；然后将溶液B缓慢的滴加到溶液A中，在室温下老化48h，得到蓝色的沉淀；用8000r离心收集所得到的沉淀物，并用水和乙醇各清洗三次，最后将样品在100℃真空中干燥24h，即得到蓝色的纳米立方体结构的NiHCF前驱体；
S2：异质结构的NiHCF的合成：将上述制备的NiHCF纳米立方体电极材料100mg和5mmol的Na3C6H5O7超声分散在50mL 0.4mol/L的NaOH溶液中，超声时间分别为0h、4h、8h和12h，随后8000r离心10min收集产物，用水和乙醇洗涤多次；最后将样品在80℃真空中干燥24h，备用，得到同时具有纳米立方体和纳米花的异质结构NiHCF纳米电极材料；
S3：将干燥好的异质结构的NiHCF纳米电极材料，乙炔黑和水性LA133树脂按照80：15：5的质量比研磨均匀，加入适量的水，制备粘度范围在5-50Pa.s，固含量为30％的可印刷水性油墨；
S4：首先在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯即PET基材上丝网印刷上集流体Ag层，在120℃烘箱里烧结半个小时，随后叠印上异质结构的NiHCF纳米电极材料，60℃烘干后得到印刷的柔性电极，最后印刷上PVA-LiCl中性电解质，随后将两片相同的印刷电极中间加上隔膜组装成夹层结构的印刷柔性超级电容器。
作为优选方案，所述步骤S2中使用的是NaOH刻蚀策略，且该NaOH的浓度为0.4mol/L；步骤S2中NaOH的刻蚀时间范围为1-12h。
第二方面，本发明提供一种如上述基于NiHCF的印刷柔性超级电容器的制备方法的应用，所述的制备方法得到一种全印制图案化的柔性超级电容器。
作为优选方案，所述全印刷柔性超级电容器的比电容范围为1-3mF cm-2，其最高功率密度为0.5mW cm-2；循环5000次后，仍保有初始比电容的89.5％，同时在弯曲状态下仍能稳定驱动LED灯。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明方法引入NaOH碱刻蚀，可有效地增加NiHCF电极材料的比表面积，最终形成了同时具有纳米立方体和纳米花异质结构的NiHCF电极材料，该电极材料的粒径在200nm左右，能够显著提高电解质Na离子的扩散速度，提升其储能性能，为高性能电极材料提供了一种简单、快速和低成本的合成方法。
2、本发明首次将异质结构的NiHCF电极材料配制成功能油墨，该功能油墨的固含量为～30wt％，粘度为22.3pa.s，表现出剪切变稀的非牛顿流体行为，符合丝网印刷油墨的流变学性能。
3、利用丝网印刷方法，可在PET基材上印刷出多种结构的超级电容器，通过组装，可得到叉指和夹层两种结构的超级电容器，该印刷超级电容器的比电容最高可达3mF cm-2，能量密度和功率密度最高可达到2.7μWh cm-2和0.4mW cm-2。
4、该印刷超级电容器除了具有优异的电化学性能，还具有优异的柔性，在多种弯曲角度下(60°、120°和180°)，比电容都没有明显的减少。循环5000次后，仍保有初始比电容的89.5％。并可通过印刷技术对单个印刷超级电容器进行串并联设计，实现输出电压和电流的增加，通过串联三个超级电容器的器件，可稳定输出2.4V的电压。
附图说明
图1为本发明实施例1-2中异质结构的NiHCF纳米电极材料的扫描电镜图；
图2为本发明实施例2中NiHCF基油墨的流变学性能：
图2：a为NiHCF基可印刷油墨的实物照片；b为NiHCF基可印刷油墨的粘弹性测试图；c为NiHCF基可印刷油墨的粘度和剪切速率的关系图；
图3为本发明实施例2中印刷超级电容器的实际应用实例图：
图3中：a为五个印刷超级电容器串联后可驱动LED灯；b为三个串联印刷超级电容器在弯曲状态下仍可驱动LED灯。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
实施例1
本实施例中，一种异质结构的NiHCF纳米电极材料的制备以及全印刷叉指结构超级电容器的制备方法。
具体如下：
1)异质结构NiHCF纳米立方体的合成：首先将2.42g的Na3[Fe(CN)6]·10H2O溶解在250mL的超纯水中，搅拌5分钟，得到澄清的溶液A。随后将5.88g的Na3C6H5O7和1g的NiCl2·6H2O溶解在250mL的超纯水中，超声搅拌形成均匀的溶液B。然后将溶液B缓慢的滴加到溶液A中，在室温下老化48h，得到蓝色的沉淀。用8000r离心收集所得到的沉淀物，并用水和乙醇各清洗三次，最后将样品在100℃真空中干燥24h，即得到蓝色的纳米立方体结构的NiHCF前驱体。将上述制备的NiHCF纳米立方体电极材料(100mg)和5mmol的Na3C6H5O7超声分散在50mL的NaOH溶液(0.4M)中，超声8h，随后8000r离心10min收集产物，用水和乙醇洗涤多次。最后将样品在80℃真空中干燥24h，备用，得到同时具有纳米立方体和异质结构的NiHCF纳米电极材料如图1所示。
2)异质结构NiHCF油墨的配制：将干燥好的异质结构的NiHCF纳米电极材料，乙炔黑和水性LA133树脂按照80：15：5的质量比研磨均匀，加入适量的水，制备粘度为20Pa.s,固含量为～25％的可印刷水性油墨。
3)全印制柔性超级电容器的制备，具体方法为：首先在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基材上印刷上叉指结构的集流体Ag层，在120℃烘箱里烧结0.5h，随后叠印上异质结构的NiHCF纳米电极材料，60℃烘干后得到印刷的柔性电极，最后印刷上PVA-LiCl中性电解质，所制备的印刷电极的宽度为2mm，叉指间距为2mm。
本发明实施例1中获得的柔性印刷叉指结构的超级电容器比电容为2.5mF/cm2，弯折数百次或弯折至180°，其比电容没有明显的衰减。
实施例2
本实施例中，一种异质结构的NiHCF纳米电极材料的制备以及全印刷夹层结构的超级电容器的制备方法。
具体如下：
1)异质结构NiHCF纳米立方体的合成：首先将2.42g的Na3[Fe(CN)6]·10H2O溶解在250mL的超纯水中，搅拌5分钟，得到澄清的溶液A。随后将5.88g的Na3C6H5O7和1g的NiCl2·6H2O溶解在250mL的超纯水中，超声搅拌形成均匀的溶液B。然后将溶液B缓慢的滴加到溶液A中，在室温下老化48h，得到蓝色的沉淀。用8000r离心收集所得到的沉淀物，并用水和乙醇各清洗三次，最后将样品在100℃真空中干燥24h，即得到蓝色的纳米立方体结构的NiHCF前驱体。将上述制备的NiHCF纳米立方体电极材料(100mg)和5mmol的Na3C6H5O7超声分散在50mL的NaOH溶液(0.4M)中，超声8h，随后8000r离心10min收集产物，用水和乙醇洗涤多次。最后将样品在80℃真空中干燥24h，备用，得到同时具有纳米立方体和异质结构的NiHCF纳米电极材料。
2)异质结构NiHCF油墨的配制：将干燥好的异质结构的NiHCF纳米电极材料，乙炔黑和水性LA133树脂按照80：15：5的质量比研磨均匀，加入适量的水，制备粘度为22.3Pa.s,固含量在30％左右的可印刷水性油墨，如图2所示。
3)全印制柔性超级电容器的制备，具体方法为：首先在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基材上印刷上叉指结构的集流体Ag层，在120℃烘箱里烧结0.5h，随后叠印上异质结构的NiHCF纳米电极材料，随后叠印上异质结构的NiHCF纳米电极材料，60℃烘干后得到印刷的柔性电极，最后印刷上PVA-LiCl中性电解质，随后将两片相同的印刷电极中间加上隔膜组装成夹层结构的印刷柔性超级电容器，如图3所示。进一步的，所制备的印刷柔性超级电容器的比电容为3mF cm-2，能量密度和功率密度可分别达到2.7μWh cm-2和0.4mW cm-2，组装成柔性储能器件后能够为稳定的驱动LED灯。
本发明实施例2中获得的柔性印刷超级电容器除了具有优异的电化学性能，还具有优异的柔性，在多种弯曲角度下(60°、120°和180°)，比电容都没有明显的减少。循环5000次后，仍保有初始比电容的89.5％。通过串联三个超级电容器的器件，可稳定输出2.4V的电压。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。
Claims (4)
1.一种基于NiHCF的印刷柔性超级电容器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：前驱体NiHCF的合成：首先将2.42g的Na3[Fe(CN)6]·10H2O溶解在250mL的超纯水中，搅拌5分钟，得到澄清的溶液A；随后将5.88g的Na3C6H5O7和1g的NiCl2·6H2O溶解在250mL的超纯水中，超声搅拌形成均匀的溶液B；然后将溶液B缓慢的滴加到溶液A中，在室温下老化48h，得到蓝色的沉淀；用8000r离心收集所得到的沉淀物，并用水和乙醇各清洗三次，最后将样品在100℃真空中干燥24h，即得到蓝色的纳米立方体结构的NiHCF前驱体；
S2：异质结构的NiHCF的合成：将上述制备的NiHCF纳米立方体电极材料100mg和5mmol的Na3C6H5O7超声分散在50mL 0.4mol/L的NaOH溶液中，超声时间分别为0h、4h、8h和12h，随后8000r离心10min收集产物，用水和乙醇洗涤多次；最后将样品在80℃真空中干燥24h，备用，得到同时具有纳米立方体和纳米花的异质结构NiHCF纳米电极材料；
S3：将干燥好的异质结构的NiHCF纳米电极材料，乙炔黑和水性LA133树脂按照80：15：5的质量比研磨均匀，加入适量的水，制备粘度范围在5-50Pa.s，固含量为30％的可印刷水性油墨；
S4：首先在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯即PET基材上丝网印刷上集流体Ag层，在120℃烘箱里烧结半个小时，随后叠印上异质结构的NiHCF纳米电极材料，60℃烘干后得到印刷的柔性电极，最后印刷上PVA-LiCl中性电解质，随后将两片相同的印刷电极中间加上隔膜组装成夹层结构的印刷柔性超级电容器。
2.根据权利要求1所述的基于NiHCF的印刷柔性超级电容器的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中使用的是NaOH刻蚀策略，且该NaOH的浓度为0.4mol/L；步骤S2中NaOH的刻蚀时间范围为1-12h。
3.一种如权利要求1或2所述基于NiHCF的印刷柔性超级电容器的制备方法的应用，其特征在于：由权利要求1或2所述的制备方法得到一种全印制图案化的柔性超级电容器。
4.根据权利要求3所述的基于NiHCF的印刷柔性超级电容器的制备方法的应用，其特征在于：所述印刷柔性超级电容器的比电容范围为1-3mF cm-2，其最高功率密度为0.5mW cm-2；循环5000次后，仍保有初始比电容的89.5％，同时在弯曲状态下仍能稳定驱动LED灯。
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|---|---|
| CN114334480A CN114334480A (zh) | 2022-04-12 |
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|---|---|---|---|
| CN202111456011.7A Active CN114334480B (zh) | 2021-12-02 | 2021-12-02 | 基于NiHCF的印刷柔性超级电容器的制备方法及应用 |
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| KR101821348B1 (ko) * | 2016-08-30 | 2018-01-23 | 울산과학기술원 | 3d-그래핀 기반의 전극, 이의 제조방법, 및 슈퍼캐패시터 |
| CN107731545A (zh) * | 2017-09-22 | 2018-02-23 | 陕西科技大学 | 一种聚苯胺基mof纳米复合材料柔性超级电容器及制备方法 |
| CN110690057A (zh) * | 2019-09-27 | 2020-01-14 | 同济大学 | 镍插层二氧化锰基柔性对称准固态超级电容器材料及其制备方法和应用 |
| CN113415831A (zh) * | 2021-05-08 | 2021-09-21 | 湖南大学 | 一种Ni(OH)2/石墨烯复合材料的制备方法和超级电容器的制备方法 |
-
2021
- 2021-12-02 CN CN202111456011.7A patent/CN114334480B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101821348B1 (ko) * | 2016-08-30 | 2018-01-23 | 울산과학기술원 | 3d-그래핀 기반의 전극, 이의 제조방법, 및 슈퍼캐패시터 |
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| CN113415831A (zh) * | 2021-05-08 | 2021-09-21 | 湖南大学 | 一种Ni(OH)2/石墨烯复合材料的制备方法和超级电容器的制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 全印刷柔性超级电容器的制备与研究进展;吴伟等;数字印刷(第002期);122-127 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114334480A (zh) | 2022-04-12 |
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