CN114388279A - 一种凝胶电解质及其制备方法和太阳光驱动自充电超级电容器及其自充电方法 - Google Patents

一种凝胶电解质及其制备方法和太阳光驱动自充电超级电容器及其自充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种凝胶电解质及其制备方法和太阳光驱动自充电超级电容器及其自充电方法，涉及凝胶电解质技术领域。本发明提供的凝胶电解质具有较高的阳离子迁移特性、低的热导率和低的比热容。本发明还提供了一种太阳光驱动自充电超级电容器，包括平行相对设置的第一光热转化薄膜电极、第二光热转化薄膜电极和装载在第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极之间的所述凝胶电解质；所述凝胶电解质的外露部分封装有封装材料；第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极分别粘结有金属引线，用于外接负载。本发明提供的超级电容器无需借助外部辅助充电系统，仅依靠太阳光即能完成自身充电，实现太阳热能向电能直接高效的转化和存储利用。

Description

一种凝胶电解质及其制备方法和太阳光驱动自充电超级电容 器及其自充电方法
技术领域
本发明涉及超级电容器技术领域，特别涉及一种凝胶电解质及其制备方法和太阳光驱动自充电超级电容器及其自充电方法。
背景技术
在“碳达峰、碳中和”的发展背景下，大力推动清洁能源技术的开发利用是实现双碳目标的重要手段。清洁能源技术既包括风能、太阳能等绿色能源的低成本获取技术，也包括可实现电能跨时空调蓄的大规模储能技术，以及将热、机械振动等能量转化为电能来提高能量利用效率的能量转化和存储技术等。因此，在清洁能源技术的发展需求中储能技术扮演着举足轻重的作用。储能技术可分为物理储能技术和电化学储能技术。物理储能主要分为抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能等，存在的问题是对场地和设备有较高的要求，并具有地域性和前期投资大的特点；电化学储能是利用化学反应，将电能以化学能进行储存和再释放的一类技术，相比于物理储能，电化学储能的优势在于电化学储能能量和功率配置灵活、受环境影响小，易实现大规模利用。
在电化学储能器件中，超级电容器因具有高功率密度、快速的充放电能力和超常的循环稳定性、宽的工作温度和环境友好等优点，被视为一种理想的功率型电化学储能器件而应用在微电子设备、电动汽车、通讯设备、航空航天器件和军事装备上。然而，要实现超级电容器动力电源供电系统的正常运行，首先必须要借助外部充电系统完成对超级电容器的充电。这也就意味着如果不依赖配置的外部充电设备事先对超级电容器进行充电，它就无法作为动力电源供电系统为用电设备进行持续的供电。此外，在超级电容器动力电源供电系统中，配置的外部充电系统无疑增加了超级电容器动力电源供电系统的复杂性、生产制造难度和经济成本，这无形中阻碍和制约了超级电容器动力电源供电系统在通讯设备、航空航天器件和军事装备上的进一步发展和推广使用。因此，在超级电容器体系中亟需这样一种技术，即无需借助外部辅助电力系统对超级电容器进行充电，而是超级电容器能够依靠自身的热充电特性，将太阳热能直接高效的转化为电化学能来实现自充电。这种技术不仅符合清洁能源技术中先进的多能互补能源系统产业的发展需求，同时，对于推动功能型超级电容器作为储能器件在沙漠、极地、海洋等极端苛刻环境中的使用具有重要的现实意义和价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种凝胶电解质及其制备方法和太阳光驱动自充电超级电容器及其自充电方法。本发明提供的凝胶电解质具有较高的阳离子迁移特性、低的热导率和低的比热容，以所述凝胶电解质与光热转化薄膜电极组装成的超级电容器无需借助外部辅助充电系统，仅依靠太阳光即能完成自身充电。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种凝胶电解质，所述凝胶电解质的组成包括金属盐、水、蒙脱石和高分子聚合物；所述金属盐包括氯化锂、氯化钾、氯化钠和氯化锌中的一种或几种；所述高分子聚合物包括瓜尔胶、聚乙烯醇和聚环氧乙烷中的一种或几种；所述金属盐、水、蒙脱石和高分子聚合物的质量比为1～2:10～50:0.2～0.5:1～3。
本发明提供了以上技术方案所述凝胶电解质的制备方法，包括以下步骤：
将金属盐与水混合，得到金属盐水溶液；
将所述金属盐水溶液与蒙脱石混合，得到混合分散液；
在加热的条件下，将所述混合分散液和高分子聚合物混合，然后将所得混合液冷却至室温，得到所述凝胶电解质。
优选地，所述加热的温度为60～80℃。
本发明提供了一种太阳光驱动自充电超级电容器，包括平行相对设置的第一光热转化薄膜电极、第二光热转化薄膜电极和装载在所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极之间的凝胶电解质；所述凝胶电解质为以上技术方案所述凝胶电解质或以上技术方案所述制备方法制备得到的凝胶电解质；所述凝胶电解质的外露部分封装有封装材料；所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极分别粘结有金属引线，所述金属引线用于外接负载。
优选地，所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极的太阳能吸收值大于等于0.9；所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极的厚度独立地为1～3μm。
优选地，所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极独立地为石墨烯薄膜电极、碳纳米片薄膜电极、活性炭薄膜电极、氧化铜薄膜电极、氧化锰薄膜电极或尖晶石型金属氧化物薄膜电极。
优选地，所述尖晶石型金属氧化物薄膜电极为Co3O4薄膜电极、NiCo2O4薄膜电极、CoMn2O4薄膜电极或CuCo2O4薄膜电极。
优选地，所述石墨烯薄膜电极的制备方法包括以下步骤：
提供氧化石墨烯悬浮液；
将所述氧化石墨烯悬浮液超声分散后进行抽滤，将抽滤所得固相薄膜依次进行洗涤和干燥，得到氧化石墨烯薄膜；
将所述氧化石墨烯薄膜浸于HI溶液中进行还原，得到所述石墨烯薄膜电极；
所述碳纳米片薄膜电极、活性炭薄膜电极、氧化铜薄膜电极、氧化锰薄膜电极或尖晶石型金属氧化物薄膜电极的制备方法包括以下步骤：
将碳纳米片、活性炭、氧化铜、氧化锰或尖晶石型金属氧化物与粘结剂和稀释剂进行混合，得到混合液；
将所述混合液依次进行球磨和超声分散，得到分散液；
将所述分散液进行抽滤，将抽滤所得固相薄膜依次进行洗涤和干燥，得到碳纳米片薄膜电极、活性炭薄膜电极、氧化铜薄膜电极、氧化锰薄膜电极或尖晶石型金属氧化物薄膜电极。
优选地，所述金属引线为铝线、铜线或银线。
本发明提供了以上技术方案所述太阳光驱动自充电超级电容器的自充电方法，包括以下步骤：
将太阳光驱动自充电超级电容器置于太阳光下进行辐照，所述超级电容器受太阳光辐照的一极薄膜电极将太阳光转化成热能，在电容器内部形成温差，在所述温差的驱动作用下，超级电容器内部凝胶电解质中的阳离子定向的由受太阳光辐照的一极薄膜电极端向未受太阳光辐照的另一极薄膜电极端迁移，使超级电容器获得热充电电压；
在所述超级电容器的金属引线上外接负载形成通路，超级电容器利用所述热充电电压进行自身充电；然后，停止太阳光辐照，再断开所述负载，完成超级电容器的自充电。
本发明提供了一种凝胶电解质，所述凝胶电解质的组成包括金属盐、水、蒙脱石和高分子聚合物；所述金属盐包括氯化锂、氯化钾、氯化钠和氯化锌中的一种或几种；所述高分子聚合物包括瓜尔胶、聚乙烯醇和聚环氧乙烷中的一种或几种；所述金属盐、水、蒙脱石和高分子聚合物的质量比为1～2:10～50:0.2～0.5:1～3。本发明提供的凝胶电解质具有较高的阳离子迁移特性、低的热导率和低的比热容；所述凝胶电解质较低的导热性，能够使组装成的超级电容器受太阳辐照时，在电容器热端和冷端(太阳光辐照的薄膜电极为热端、太阳光未辐照的薄膜电极为冷端)迅速形成温差；所述凝胶电解质较高的阳离子迁移特性，能够使凝胶电解质中的阳离子在内部温差的驱动作用下定向的由热端向冷端迁移，并富集到冷端，使超级电容器获得热充电电压。
本发明提供了所述凝胶电解质的制备方法，原料易得，操作简便。
本发明还提供了一种太阳光驱动自充电超级电容器，包括平行相对设置的第一光热转化薄膜电极、第二光热转化薄膜电极和装载在所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极之间的凝胶电解质；所述凝胶电解质为以上技术方案所述凝胶电解质或以上技术方案所述制备方法制备得到的凝胶电解质；所述凝胶电解质的外露部分封装有封装材料；所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极分别粘结有金属引线，所述金属引线用于外接负载。本发明提供的太阳光驱动自充电超级电容器是利用具有较高光-热转化特性的薄膜电极、具有较高阳离子迁移特性的凝胶电解质、封装材料和金属引线组装成的“三明治”结构的超级电容器器件，其工作原理为：超级电容器器件在太阳光辐照下，借助“三明治”结构超级电容器器件一极薄膜电极的光-热转化特性将太阳光直接高效的转化成热能，热能助力超级电容器器件内部形成较大的温差(太阳光辐照的薄膜电极为热端、太阳光未辐照的薄膜电极为冷端)，进一步在超级电容器内部温差的驱动作用下，超级电容器器件内部凝胶电解质中的阳离子定向的由热端向冷端迁移，富集到冷端的薄膜电极上，致使超级电容器器件获得较大的热充电电压；之后，在超级电容器器件的金属引线上外接负载形成通路，超级电容器利用热充电电压对其自身进行充电；随后，停止对超级电容器器件进行太阳光辐照(消除超级电容器器件内部的温差)，再断开超级电容器器件薄膜电极两端接入的外部负载，实现超级电容器器件内部的自充电。本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的超级电容器首次实现超级电容器无需借助外部辅助充电系统，仅依靠太阳光即能完成自身充电，实现太阳热能向电能直接高效的转化和存储利用，为推动超级电容器的多样化发展提供了新的技术支撑，并从真正意义上满足清洁能源技术“低碳、绿色、高效、经济”的发展需求；
(2)本发明将清洁能源技术中的太阳能光-热转化利用技术和电化学储能技术有效的关联、整合在一起，对于清洁能源技术中先进的多能互补能源系统产业的发展具有重要的推动作用、现实意义和实用价值；
(3)本发明提供的超级电容器的原材料易得，结构简单，易于实现工业规模化；并且成本低、经济收益高、实用性强，能够满足超级电容器实际的应用需求，为超级电容器产业的发展带来可观的经济价值。
附图说明
图1为本发明提供的太阳光驱动自充电超级电容器的构筑示意图；
图2为本发明提供的太阳光驱动自充电超级电容器实现自身热充电的工作机理图；
图3为实施例1制备的两片圆形的石墨烯薄膜材料的实物图；
图4为实施例1中圆形石墨烯薄膜材料的太阳光反射光谱图；
图5为实施例1中利用瓜尔胶、蒙脱石和氯化钠复合制备得到的凝胶电解质的实物图；
图6为实施例1中基于石墨烯薄膜材料设计构筑的功能型“三明治”结构的超级电容器的实物图；
图7为实施例1在不同扫速条件下，基于石墨烯薄膜材料构筑的功能型“三明治”结构超级电容器的循环伏安曲线(CV)；
图8为实施例1中基于石墨烯薄膜材料构筑的功能型“三明治”结构超级电容器在不同电流密度下的恒电流充放电曲线；
图9为实施例1中基于石墨烯薄膜材料构筑的功能型“三明治”结构超级电容器的热充电电压曲线；
图10为实施例1中基于石墨烯薄膜材料构筑的功能型“三明治”结构超级电容器的自充电曲线；
图11为实施例2中碳纳米片薄膜材料的太阳光反射光谱图；
图12为实施例2中利用瓜尔胶、水和蒙脱石和氯化锂复合制备得到的凝胶电解质的实物图；
图13为实施例2中基于碳纳米片薄膜材料设计构筑的功能型“三明治”结构的超级电容器的实物图；
图14为实施例2在不同扫速条件下，基于碳纳米片薄膜材料构筑的功能型“三明治”结构超级电容器的循环伏安曲线(CV)；
图15为实施例2中基于碳纳米片薄膜材料构筑的功能型“三明治”结构超级电容器在不同电流密度下的恒电流充放电曲线；
图16为实施例2中基于碳纳米片薄膜材料构筑的功能型“三明治”结构超级电容器的热充电电压曲线；
图17为实施例2中基于碳纳米片薄膜材料构筑的功能型“三明治”结构超级电容器的自充电曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种凝胶电解质，所述凝胶电解质的组成包括金属盐、水、蒙脱石和高分子聚合物；所述金属盐包括氯化锂、氯化钾、氯化钠和氯化锌中的一种或几种；所述高分子聚合物包括瓜尔胶、聚乙烯醇和聚环氧乙烷中的一种或几种；所述金属盐、水、蒙脱石和高分子聚合物的质量比为1～2:10～50:0.2～0.5:1～3，优选为1:10:0.2:1。本发明提供的凝胶电解质具体为瓜尔胶复合蒙脱石和氯化锂的凝胶电解质、瓜尔胶复合蒙脱石和氯化钾的凝胶电解质、瓜尔胶复合蒙脱石和氯化钠的凝胶电解质、瓜尔胶复合蒙脱石和氯化锌的凝胶电解质、聚乙烯醇复合蒙脱石和氯化锂的凝胶电解质、聚乙烯醇复合蒙脱石和氯化钾的凝胶电解质、聚乙烯醇复合蒙脱石和氯化钠的凝胶电解质、聚乙烯醇复合蒙脱石和氯化锌的凝胶电解质、聚环氧乙烷复合蒙脱石和氯化锂的凝胶电解质、聚环氧乙烷复合蒙脱石和氯化钾的凝胶电解质、聚环氧乙烷复合蒙脱石和氯化钠的凝胶电解质、聚环氧乙烷复合蒙脱石和氯化锌的凝胶电解质。
本发明提供的凝胶电解质中所述阳离子(钠离子、锂离子、钾离子、锌离子)容易发生迁移；所述凝胶电解质中蒙脱石和高分子聚合物低的热扩散特性综合作用导致凝胶电解质具备较低的导热率和比热容。因此，本发明提供的凝胶电解质具有较高的阳离子迁移特性、低的热导率和低的比热容。
本发明提供了以上技术方案所述凝胶电解质的制备方法，包括以下步骤：
将金属盐与水混合，得到金属盐水溶液；
将所述金属盐水溶液与蒙脱石混合，得到混合分散液；
在加热的条件下，将所述混合分散液和高分子聚合物混合，然后将所得混合液冷却至室温，得到所述凝胶电解质。
本发明对所述金属盐、蒙脱石和高分子聚合物的来源没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明中，所述加热的温度优选为60～80℃。本发明优选将所述高分子聚合物缓慢加入到混合分散液中进行混合；所述高分子聚合物优选在搅拌的条件下加入，所述搅拌的速度优选为30转/分钟；所述高分子聚合物与混合分散液混合的时间以高分子聚合物完全溶解为准。在本发明中，所述蒙脱石中的含氧官能团与高分子聚合物阴离子进行键合，将高分子聚合物阴离子“锚固”起来，金属盐阳离子均匀地分布在体相凝胶电解质中，从而形成所述凝胶电解质。
本发明提供的所述凝胶电解质的制备方法，原料易得，操作简便。
本发明提供了一种太阳光驱动自充电超级电容器，包括平行相对设置的第一光热转化薄膜电极、第二光热转化薄膜电极和装载在所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极之间的凝胶电解质；所述凝胶电解质为以上技术方案所述凝胶电解质或以上技术方案所述制备方法制备得到的凝胶电解质；所述凝胶电解质的外露部分封装有封装材料；所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极分别粘结有金属引线，所述金属引线用于外接负载。
本发明提供的太阳光驱动自充电超级电容器的构筑示意图如图1所示。
本发明提供的太阳光驱动自充电超级电容器，包括平行相对设置的第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极。在本发明中，所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极的厚度独立地优选为1～3μm。在本发明中，所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极的太阳能吸收值优选大于等于0.9；所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极优选为石墨烯薄膜电极、碳纳米片薄膜电极、活性炭薄膜电极、氧化铜薄膜电极、氧化锰薄膜电极或尖晶石型金属氧化物薄膜电极；所述尖晶石型金属氧化物薄膜电极优选为Co3O4薄膜电极、NiCo2O4薄膜电极、CoMn2O4薄膜电极或CuCo2O4薄膜电极。在本发明中，所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极具有较高的光-热转化特性和优良的电化学储能特性；其中，所述第一光热转化薄膜电极的主要作用是吸光后实现光热转化和释放电子，所述第二光热转化薄膜电极的主要作用是存储阳离子和释放阳离子，以及接收电子。
在本发明中，所述石墨烯薄膜电极的制备方法优选包括以下步骤：提供氧化石墨烯悬浮液；将所述氧化石墨烯悬浮液超声分散后进行抽滤，将抽滤所得固相薄膜依次进行洗涤和干燥，得到氧化石墨烯薄膜；将所述氧化石墨烯薄膜浸于HI溶液中进行还原，得到所述石墨烯薄膜电极。在本发明中，所述氧化石墨烯悬浮液的浓度优选为5g/L；所述超声分散的时间优选为5min；所述洗涤包括依次进行的蒸馏水洗涤和无水乙醇洗涤；所述干燥的温度优选为60℃。
在本发明中，所述碳纳米片薄膜电极、活性炭薄膜电极、氧化铜薄膜电极、氧化锰薄膜电极或尖晶石型金属氧化物薄膜电极的制备方法优选包括以下步骤：将碳纳米片、活性炭、氧化铜、氧化锰或尖晶石型金属氧化物与粘结剂和稀释剂进行混合，得到混合液；将所述混合液依次进行球磨和超声分散，得到分散液；将所述分散液进行抽滤，将抽滤所得固相薄膜依次进行洗涤和干燥，得到碳纳米片薄膜电极、活性炭薄膜电极、氧化铜薄膜电极、氧化锰薄膜电极或尖晶石型金属氧化物薄膜电极。在本发明中，所述粘结剂优选为聚偏二氟乙烯；所述稀释剂优选为乙醇和蒸馏水的混合溶剂，所述混合溶剂中乙醇和蒸馏水的体积比优选为1:5；所述碳纳米片、活性炭、氧化铜、氧化锰或尖晶石型金属氧化物与粘结剂和稀释剂的质量比优选为2:0.5:20；所述球磨的时间优选为2h；所述超声分散的时间优选为5min；所述洗涤包括依次进行的蒸馏水洗涤和无水乙醇洗涤；所述干燥的温度优选为60℃。
在本发明中，所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极分别粘结有金属引线(如图1中的“引线1”)，所述金属引线用于外接负载。在本发明中，所述金属引线优选为铝线、铜线或银线；所述金属引线优选分别粘结在第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极相对的一侧，即第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极的内侧面，以避免金属引线对于太阳辐照的遮挡。
本发明提供的太阳光驱动自充电超级电容器包括装载在所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极之间的凝胶电解质；所述凝胶电解质为以上技术方案所述凝胶电解质或以上技术方案所述制备方法制备得到的凝胶电解质。在本发明中，所述凝胶电解质具有较高的阳离子迁移特性、低的热导率和低的比热容。在本发明中，所述凝胶电解质的外露部分封装有封装材料；所述封装材料优选为聚二甲基硅氧烷、聚环氧乙烷、聚酰亚胺、聚氨酯或聚甲基丙烯酸甲酯。
本发明提供的太阳光驱动自充电超级电容器是利用具有较高光-热转化特性的薄膜电极、具有较高阳离子迁移特性的凝胶电解质、封装材料和金属引线组装成的“三明治”结构的超级电容器器件，其工作原理如图2所示。本发明提供的超级电容器无需借助外部辅助充电系统，仅依靠太阳光即能完成自身充电，实现太阳热能向电能直接高效的转化和存储利用。
在本发明中，所述太阳光驱动自充电超级电容器的具体构筑方法为：将两根金属引线分别粘接到第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极上，得到粘结有金属引线的第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极；将凝胶电解质添加于第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极之间，形成半成品的超级电容器；然后将所述半成品的超级电容器置于60℃的烘箱中进行干燥；最后，将干燥后的半成品的超级电容器用封装材料对凝胶电解质外露部分进行封装，得到所述太阳光驱动自充电超级电容器。在本发明中，所述太阳光驱动自充电超级电容器的构筑方法简单，易于实现超级电容器连续规模化的生产制备。
本发明提供了以上技术方案所述太阳光驱动自充电超级电容器的自充电方法，包括以下步骤：
将太阳光驱动自充电超级电容器置于太阳光下进行辐照，所述超级电容器受太阳光辐照的一极薄膜电极将太阳光转化成热能，在电容器内部形成温差，在所述温差的驱动作用下，超级电容器内部凝胶电解质中的阳离子定向的由受太阳光辐照的一极薄膜电极端向未受太阳光辐照的另一极薄膜电极端迁移，使超级电容器获得热充电电压；
在所述超级电容器的金属引线上外接负载形成通路，超级电容器利用所述热充电电压进行自身充电；然后，停止太阳光辐照，再断开所述负载，完成超级电容器的自充电。
在本发明中，所述辐照的时间优选为1～2min。
在本发明中，所述太阳光驱动自充电超级电容器完成自充电后，可以在超级电容器的第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极上分别另接金属引线(如图1中的引线2)，在所述另接的金属引线上接入用电器，实现对用电器的充电。
下面结合实施例对本发明提供的凝胶电解质及其制备方法和太阳光驱动自充电超级电容器及其自充电方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)太阳光驱动自充电超级电容器的构筑
光热转化薄膜电极的制备：将氧化石墨烯和蒸馏水以1:5的质量比混合，得到氧化石墨烯悬浮液；将氧化石墨烯悬浮液进行稀释，浓度维持在5g/L，并将氧化石墨烯稀释液进行超声分散5min，然后将该稀释液进行抽滤，抽滤后的薄膜分别利用蒸馏水和无水乙醇进行清洗，在60℃干燥后得到圆形的氧化石墨烯薄膜材料，以此方法得到两片圆形的氧化石墨烯薄膜材料；然后利用50％的HI溶液对两片圆形的氧化石墨烯薄膜材料进行还原，得到两片圆形的石墨烯薄膜材料，如图3所示。石墨烯薄膜材料展现出较高的太阳光吸收率(如图4所示)，单个圆形石墨烯薄膜材料的直径为50mm，厚度为2μm，石墨烯薄膜材料的太阳能吸收值为0.92。
凝胶电解质的制备：将氯化钠溶解在水中，将蒙脱石加入到氯化钠水溶液中，然后将所得混合分散液加热到75℃，将瓜尔胶在搅拌条件下缓慢加入到混合分散液中，得到凝胶电解质，凝胶电解质中氯化钠、蒙脱石、瓜尔胶和水的质量为1:0.2:1:10。得到的凝胶电解质如图5所示。
超级电容器的组装：将两根铜引线分别粘接到两个圆形的石墨烯薄膜材料上，获得石墨烯薄膜电极；将制备的凝胶电解质添加于两个石墨烯薄膜电极之间形成半成品的超级电容器；然后将半成品的超级电容器置于60℃的烘箱中干燥15min；最后，将半成品的超级电容器用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行器件的封装，得到功能型“三明治”结构超级电容器，即太阳光驱动自充电超级电容器，实物如图6所示(图6所示超级电容器有两对金属引线，一对金属引线用于外接负载电阻，另一对金属引线用于接入用电器)。
对构筑得到的功能型“三明治”结构超级电容器进行电化学性能，结果如图7和图8所示。图7是超级电容器的超级电容器的循环伏安曲线(CV)，图7显示在不同扫速条件下，超级电容器的CV曲线展现出较好的矩形型，即超级电容器具有较好的双电层电容特性。图8是超级电容器在不同电流密度下的恒电流充放电曲线：基于石墨烯薄膜电极计算的超级电容器的质量比容量为10F/g(电流密度为1A/g)，体现了超级电容器具有较好的电化学储能特性。
(2)太阳光驱动超级电容器完成自身充电：
将功能型“三明治”结构超级电容器一极的石墨烯薄膜电极置于模拟太阳光辐照条件下，受太阳光辐照的石墨烯薄膜电极利用其光-热转化特性将太阳光直接高效的转化为热能，即该石墨烯薄膜电极为热端，另一极未受太阳光辐照的石墨烯薄膜电极为冷端。由于凝胶电解质较低的导热系数，致使在超级电容器热端和冷端迅速形成温差，进一步在超级电容器内部温差的驱动作用下，超级电容器内部凝胶电解质中的阳离子定向的由受辐照石墨烯薄膜电极(热端)向未受辐照石墨烯薄膜电极(冷端)迁移，并富集到未受辐照石墨烯薄膜电极上(冷端)，致使超级电容器获得的热充电电压为24mV(如图9所示，图9为超级电容器的热充电电压曲线)；然后，在超级电容器冷、热两端石墨烯薄膜电极接入外部负载(R＝1000Ω)，超级电容器利用热充电电压对其自身进行充电，随后，停止对超级电容器一极的石墨烯薄膜电极进行太阳光辐照(消除超级电容器器件内部的温差)，再断开超级电容器石墨烯薄膜电极两端接入的外部负载，完成超级电容器的自充电，最终，超级电容器获得的充电电压为15mV(如图10所示，图10为超级电容器的自充电曲线)。
实施例2
(1)太阳光驱动自充电超级电容器的构筑
光热转化薄膜电极的制备：将碳纳米片、粘结剂(聚偏二氟乙烯)和稀释剂(稀释剂中乙醇和蒸馏水的体积之比为1:5)按照质量比为2:0.5:20的比例混合后进行2h球磨，球磨后的溶液超声分散5min，之后对溶液进行抽滤，对获得的滤膜分别进行蒸馏水和乙醇的洗涤，60℃干燥后获得碳纳米片薄膜电极，以此方法得到两片碳纳米片薄膜电极，厚度为2.5μm。图11是制备的碳纳米片薄膜电极材料的太阳光反射光谱图，可以看出碳纳米片薄膜电极材料展现出较好的太阳光吸收特性，并且碳纳米片薄膜电极的太阳能吸收值为0.90。
凝胶电解质的制备：将氯化锂溶解在水中，将蒙脱石加入到氯化锂水溶液中，然后将所得混合分散液加热到70℃，将瓜尔胶在搅拌条件下缓慢加入到混合分散液中，得到凝胶电解质，凝胶电解质中氯化锂、蒙脱石、瓜尔胶和蒸馏水的质量为1:0.2:1:10。得到的凝胶电解质如图12所示。
超级电容器的组装：将两根铜引线分别粘接到碳纳米片薄膜电极材料上；将制备的凝胶电解质添加于两个碳纳米片薄膜电极之间形成半成品的超级电容器；将半成品的超级电容器置于60℃的烘箱中干燥10min；然后，将半成品的超级电容器用聚酰亚胺进行器件的封装，得到功能型“三明治”结构的超级电容器，即太阳光驱动自充电超级电容器，实物如图13所示(图13所示超级电容器有两对金属引线，一对金属引线用于外接负载电阻，另一对金属引线用于接入用电器)。
对构筑得到的功能型“三明治”结构超级电容器进行电化学性能测试，结果如图14和图15所示。图14是超级电容器的循环伏安曲线(CV)，图14显示在不同扫速条件下，超级电容器的CV曲线展现出较好的矩形型，即超级电容器具有较好的双电层电容特性。图15是超级电容器在不同电流密度下的恒电流充放电曲线：基于碳纳米片薄膜电极计算的超级电容器的质量比容量为15F/g(电流密度为1A/g)，体现了超级电容器具有较好的电化学储能特性。
(2)太阳光驱动超级电容器完成自身充电：
将功能型“三明治”结构超级电容器一极的碳纳米片薄膜电极置于模拟太阳光辐照条件下，受太阳光辐照的碳纳米片薄膜电极利用其光-热转化特性将太阳光转化为热能，即该碳纳米片薄膜电极为热端，另一极未受太阳光辐照的碳纳米片薄膜电极为冷端。在超级电容器内部温差的驱动作用下，超级电容器获得的热充电电压为34mV(如图16所示，图16是超级电容器的热充电电压曲线)；然后，在超级电容器冷、热两端碳纳米片薄膜电极接入外部负载(R＝1000Ω)，超级电容器利用热充电电压对其自身进行充电，随后，停止对超级电容器一极的碳纳米片薄膜电极进行太阳光辐照(消除超级电容器器件内部的温差)，再断开超级电容器碳纳米片薄膜电极两端接入的外部负载，完成超级电容器的自充电，最终，超级电容器获得的充电电压为17mV(如图17所示，图17是超级电容器的自充电曲线)。
对比实施例1和实施例2，依靠本发明设计构筑的两种超级电容器均可以在太阳光的驱动作用下，依靠器件自身的光-热转化特性实现热充电，但是由于两种“三明治”结构超级电容器之间存在光-热转化特性和电化学性能的差异，因而导致两种超级电容器热充电特性存在差异。总之，通过实施例有力的突出了本发明的技术优势，并且进一步论证了本发明技术的可行性、可靠性和实用性。
以上所述仅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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种凝胶电解质，其特征在于，所述凝胶电解质的组成包括金属盐、水、蒙脱石和高分子聚合物；所述金属盐包括氯化锂、氯化钾、氯化钠和氯化锌中的一种或几种；所述高分子聚合物包括瓜尔胶、聚乙烯醇和聚环氧乙烷中的一种或几种；所述金属盐、水、蒙脱石和高分子聚合物的质量比为1～2:10～50:0.2～0.5:1～3。
2.权利要求1所述凝胶电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将金属盐与水混合，得到金属盐水溶液；
将所述金属盐水溶液与蒙脱石混合，得到混合分散液；
在加热的条件下，将所述混合分散液和高分子聚合物混合，然后将所得混合液冷却至室温，得到所述凝胶电解质。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述加热的温度为60～80℃。
4.一种太阳光驱动自充电超级电容器，其特征在于，包括平行相对设置的第一光热转化薄膜电极、第二光热转化薄膜电极和装载在所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极之间的凝胶电解质；所述凝胶电解质为权利要求1所述凝胶电解质或权利要求2～3任意一项所述制备方法制备得到的凝胶电解质；所述凝胶电解质的外露部分封装有封装材料；所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极分别粘结有金属引线，所述金属引线用于外接负载。
5.根据权利要求4所述的太阳光驱动自充电超级电容器，其特征在于，所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极的太阳能吸收值大于等于0.9；所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极的厚度独立地为1～3μm。
6.根据权利要求4或5所述的太阳光驱动自充电超级电容器，其特征在于，所述第一光热转化薄膜电极和第二光热转化薄膜电极为石墨烯薄膜电极、碳纳米片薄膜电极、活性炭薄膜电极、氧化铜薄膜电极、氧化锰薄膜电极或尖晶石型金属氧化物薄膜电极。
7.根据权利要求6所述的太阳光驱动自充电超级电容器，其特征在于，所述尖晶石型金属氧化物薄膜电极为Co3O4薄膜电极、NiCo2O4薄膜电极、CoMn2O4薄膜电极或CuCo2O4薄膜电极。
8.根据权利要求7所述的太阳光驱动自充电超级电容器，其特征在于，所述石墨烯薄膜电极的制备方法包括以下步骤：
提供氧化石墨烯悬浮液；
将所述氧化石墨烯悬浮液超声分散后进行抽滤，将抽滤所得固相薄膜依次进行洗涤和干燥，得到氧化石墨烯薄膜；
将所述氧化石墨烯薄膜浸于HI溶液中进行还原，得到所述石墨烯薄膜电极；
所述碳纳米片薄膜电极、活性炭薄膜电极、氧化铜薄膜电极、氧化锰薄膜电极或尖晶石型金属氧化物薄膜电极的制备方法包括以下步骤：
将碳纳米片、活性炭、氧化铜、氧化锰或尖晶石型金属氧化物与粘结剂和稀释剂进行混合，得到混合液；
将所述混合液依次进行球磨和超声分散，得到分散液；
将所述分散液进行抽滤，将抽滤所得固相薄膜依次进行洗涤和干燥，得到碳纳米片薄膜电极、活性炭薄膜电极、氧化铜薄膜电极、氧化锰薄膜电极或尖晶石型金属氧化物薄膜电极。
9.根据权利要求4所述的太阳光驱动自充电超级电容器，其特征在于，所述金属引线为铝线、铜线或银线。
10.权利要求4～9任意一项所述太阳光驱动自充电超级电容器的自充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述太阳光驱动自充电超级电容器置于太阳光下进行辐照，所述超级电容器受太阳光辐照的一极薄膜电极将太阳光转化成热能，在电容器内部形成温差，在所述温差的驱动作用下，超级电容器内部凝胶电解质中的阳离子定向的由受太阳光辐照的一极薄膜电极端向未受太阳光辐照的另一极薄膜电极端迁移，使超级电容器获得热充电电压；
在所述超级电容器的金属引线上外接负载形成通路，超级电容器利用所述热充电电压进行自身充电；然后，停止太阳光辐照，再断开所述负载，完成超级电容器的自充电。
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