CN114823163A - 一种基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器及其制备方法和应用 - Google Patents
一种基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器及其制备方法和应用，以丙烯酸和[2‑(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3‑磺丙基)氢氧化铵内盐为单体，合成自愈合型两亲性超分子凝胶，利用制备得到的自愈合型两亲性超分子凝胶受压形成一凝胶样块，并按照电极‑电解质‑电极‑电解质的结构层层堆叠、组装后得到凝胶组，将上述凝胶组夹在两块载玻片之间施加压力以保证贴合紧密后，按照20mm*10mm尺寸进行裁剪，将裁剪后的凝胶贴附在两片碳布之间，即得到基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器。本发明以相同的基质赋予了界面强相互作用，一体化超级电容器的全自修复特性有望实现受损器件自修复后在复杂环境下依然维持稳定工作。
Description
技术领域
本发明涉及超级电容器合成技术领域，更具体地说涉及一种基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，随着新型便携式电子设备的发展，研究人员开始着眼于柔性储能器件的架构与功能性。出于高功率密度与循环工作稳定、绿色化学的特点，柔性超级电容器被广泛地应用于移动电源领域。为了适应复杂运行环境的挑战，柔性超级电容器需要在复杂形变与器件受损条件下持续稳定的能量输出。传统的电容器设计致力于实现电极/电解质单一模块的功能化，而忽略了电极与电解质之间的界面问题。在外界应力的作用下，柔性储能器件发生弯曲、拉伸、扭转等复杂形变，由于电极/电解质的界面上缺乏相互作用力，因此无可规避的会发生层间滑移，进而影响了器件的电化学性能与使用寿命。此外，传统的柔性基底与粘结剂设计策略，不利于层间电子传输，制约了器件电导率与能量密度。
最近，一体化超级电容器由此提出，通过集成型的架构以降低器件的性能损耗、解决器件的层间剥离与结构损坏问题，以满足柔性储能装置的运行需求。值得注意的是，利用水凝胶材料内部固有的分子间可逆相互作用构建电极/电解质体系，被视作是实现一体化集成型超级电容器的理想策略。在具有一体化结构的电子器件中实现自愈合是极其困难的，当多层堆叠中的不同层被机械切割时，实现它们之间的完美对准是具有挑战性的。如果每一层都具有高韧性，则更容易实现界面对准。值得注意的是，当一个层被机械切割时，高韧性也有助于构建一个更干净和更少变形的表面。特别是，在机械强度不高的材料中，机械损伤会导致显著的永久塑性变形(尤其是在表面上)，这使得难以通过自愈合过程有效地重新连接受损表面。此外，高韧性将赋予系统“形状记忆”效应，从而促进自主自愈过程。然而，同时实现一体化超级电容器的高韧性与自修复能力具有挑战性，相关工作迄今仍未报道。
常规的凝胶电解质，诸如聚乙烯醇(PVA)与聚环氧乙烷(PEO)，通过氢键实现凝胶的自愈合行为。有限的拉伸性能与长周期的自愈合时间，限制了水凝胶的机械性能，与此同时，弱机械稳定性制约了柔性超级电容器的应用。因此，引入多重动态键以构建凝胶电极和凝胶电解质之间的亲和界面，是一种可行的策略。聚合物的分子网络中，拥有阴阳离子或两亲性亲和离子的聚合物，被称为两亲性离子凝胶。由离子缔合和氢键的物理网络组成的动态界面，有望在不同形变条件下以高机械强度吸收能量，从而构建柔性超级电容器。此外，超分子凝胶的动态多重网络可以在器件的受损界面上重新构建新的网络，以完成自修复行为，满足便携式电子器件的自修复与柔性需求。现有的超级电容器或以传统构型实现局部自修复，或以一体化构型中各部件采用不同材料以实现自修复，而未有以同一种材料基质构建一体化超级电容器以实现自修复的案例。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器及其制备方法和应用，以丙烯酸(AA)和丙烯酸与[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)为单体一步自由基反应合成了自修复两亲性超分子凝胶，以此构建了软质的一体化超级电容器，相同的基质赋予了界面强相互作用，一体化超级电容器的全自修复特性有望实现受损器件自修复后在复杂环境下依然维持稳定工作。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
一种基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器及其制备方法，按照下述步骤进行：
步骤1，将二硫化钼(MoS2)与去离子水混合、超声分散、磁力搅拌后，形成分散液A，取[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)和过硫酸铵(APS)在磁力搅拌下加入上述分散液A中，待完全溶解后，即得到混合溶液，向上述混合溶液中逐滴滴加丙烯酸(AA)后，置于常温20-25℃下磁力搅拌至完全溶解后，55-75℃下水浴加热静置10-15h后，即得到超分子凝胶电极聚丙烯酰胺(PAM)，其中，二硫化钼(MoS2)、[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)、过硫酸铵(APS)和丙烯酸(AA)的质量比为(8-80)：900：57：(900-4500)；
步骤2，将[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)和过硫酸铵(APS)磁力搅拌下溶于水中，形成混合溶液，向上述混合溶液中逐滴滴加丙烯酸(AA)室温20-25℃下磁力搅拌至完全溶解后，55-75℃下水浴加热静置10-15h后，得到超分子凝胶(PAD)，其中，[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)、过硫酸铵(APS)和丙烯酸(AA)的质量比为900：57：(900-4500)；
步骤3，将步骤2制备得到的超分子凝胶(PAD)浸泡在0.8-1.2M的H2SO4溶液中3-5h以实现充分的离子交换，即得到超分子凝胶电解质(PAH)，将步骤1制备得到的超分子凝胶电极聚丙烯酰胺(PAM)和超分子凝胶电解质(PAH)受压形成一凝胶样块，并按照电极-电解质-电极-电解质的结构层层堆叠、组装后得到凝胶组，将上述凝胶组夹在两块载玻片之间施加压力以保证贴合紧密后，按照20mm*10mm尺寸进行裁剪，将裁剪后的凝胶贴附在两片碳布之间，即得到基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)，其中，超分子凝胶电解质(PAH)和超分子凝胶电极聚丙烯酰胺(PAM)的质量比为1：(0.5-2)。
在步骤1中，二硫化钼(MoS2)、[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)、过硫酸铵(APS)和丙烯酸(AA)的质量比为8：900：57：3600，水浴加热温度为65℃，水浴加热时间为12h。
在步骤2中，[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)、过硫酸铵(APS)和丙烯酸(AA)的质量比为900：57：3600，水浴加热温度为65℃，水浴加热时间为12h。
在步骤3中，超分子凝胶(PAD)浸泡在1M的H2SO4溶液中4h以实现充分的离子交换，即得到超分子凝胶电解质(PAH)，超分子凝胶电解质(PAH)和超分子凝胶电极聚丙烯酰胺(PAM)的质量比为1：2。
在电流密度为50μA g-1时，基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)的质量比电容为11.13mF g-1，在电流密度为500μA g-1时，基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)的质量比电容依然有5.88mF g-1，10倍电流密度的情况下，基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)的容量保留率为52.83％。
基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)处于不同弯曲角度的情况下，随着弯曲角度的增加，在离子缔合与氢键物理网络的作用下，未发生电极/电解质界面间的相对滑移，使得基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)的容量保留率为92.28％。
在经过五次受损/自修复循环后，基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)的容量保留率为72.35％，经过十次循环后，基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)的容量保留率为52.15％。
本发明的有益效果为：以丙烯酸(AA)/[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)作为添加剂，利用其基于离子缔合作用和氢键物理交联网络的性能制备自修复凝胶，自修复过程在室温条件下对电化学性能影响不大；本发明所采用的一体化超级电容器的全凝胶态设计，柔性器件在弯曲形变下容量保留率达92.28％，高机械强度抑制了形变过程中的受压形变与层间运动。在界面上离子缔合效应和氢键物理网络的协同作用下，受损的一体化超级电容器在经过5次受损/自修复循环后容量保留率为72.35％，10次受损/自修复循环后容量保留率为52.15％，全凝胶软质超级电容器的结构设计为自修复过程提供了更多的活性位点。
附图说明
图1是本发明的整体制备流程示意图；
图2是实施例1制备的两亲性超分子凝胶的阻抗图；
图3是实施例2制备的基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器的(a)不同扫描速率下一体化超级电容器的循环伏安曲线，(b)不同电流密度下一体化超级电容器的恒电流曲线；
图4是实施例3制备的基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器的(a)50mV s-1的扫速下一体化超级电容器处于不同弯曲角度的循环伏安曲线，(b)250μA g-1的电流密度下一体化超级电容器处于不同弯曲角度的恒电流充放电曲线；
图5是实施例4制备的基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器的(a)50mV s-1的扫速下一体化超级电容器处于不同的损伤/自愈合周期的循环伏安曲线，(b)250μA g-1的电流密度下一体化超级电容器处于不同的损伤/自愈合周期的恒电流充放电曲线，(c)一体化超级电容器的自修复效率，(d)一体化超级电容器于不同的损伤/自愈合周期的阻抗图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
称取4mg二硫化钼(MoS2)，将MoS2与2.2mL去离子水混合，超声30min以均匀分散，磁力搅拌1h形成分散液A。称取0.45g的[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)和0.02852g的过硫酸铵(APS)在磁力搅拌下加入至分散液A中，待完全溶解后，逐滴滴加1.8g的AA，在常温下磁力搅拌至完全溶解。然后，将水浴锅升温至65℃，取出磁子，将溶液静置12h以彻底反应，得到超分子凝胶电极PAM。称取0.45g的DMAPS和0.02852g的APS在磁力搅拌下加入至2.2mL的溶剂水中，待形成均一稳定溶液后，逐滴滴加1.8g的AA，磁力搅拌至完全溶解，实验条件处于室温。然后，将水浴锅升温至65℃，取出磁子，将溶液静置12h以彻底反应，得到超分子凝胶PAD。配置1M的H2SO4溶液，将PAD水凝胶浸泡4h以实现充分的离子交换，得到超分子凝胶电解质PAH。
如图2所示，为制备的两亲性超分子凝胶的阻抗图。如图1所示，根据图中的信息，PAH的离子电导率远高于PAD凝胶基质，这是由于PAH凝胶电解质在H2SO4中充分浸润。分子骨架上阴阳离子与溶液中游离的H+和SO4 2-发生了离子缔合作用，从而有效提升了凝胶的离子电导率。而与之相对应的是，随着MoS2的组分含量增加，凝胶的阻抗也随之增大同时曲线的斜率降低。MoS2的引入在破坏了凝胶基质的微观形貌，在内部体系中产生了微裂纹。因此，MoS2组分的增加不利于凝胶网络中传输通道的构建，进而增加了阻抗，需要将MoS2活性物质含量维持在一个较低的水准。
实施例2
称取4mg二硫化钼(MoS2)，将MoS2与2.2mL去离子水混合，超声30min以均匀分散，磁力搅拌1h形成分散液A。称取0.45g的[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)和0.02852g的过硫酸铵(APS)在磁力搅拌下加入至分散液A中，待完全溶解后，逐滴滴加1.5g的AA，在常温下磁力搅拌至完全溶解。然后，将水浴锅升温至65℃，取出磁子，将溶液静置12h以彻底反应，得到超分子凝胶电极PAM。
称取0.45g的DMAPS和0.02852g的APS在磁力搅拌下加入至2.2mL的溶剂水中，待形成均一稳定溶液后，逐滴滴加1.5g的AA，磁力搅拌至完全溶解，实验条件处于室温。然后，将水浴锅升温至65℃，取出磁子，将溶液静置12h以彻底反应，得到超分子凝胶PAD。
配置1M的H2SO4溶液，将PAD水凝胶浸泡4h以实现充分的离子交换，得到超分子凝胶电解质PAH。将制备的PAM凝胶电极和PAH凝胶电解质在模具中受压形成均一平整的凝胶样块，以电极-电解质-电极的结构进行层层堆叠。组装的凝胶夹在两块载玻片之间，受压以保证界面之间贴合紧密，然后用剪刀裁剪至合适的尺寸(20mm*10mm)。将裁剪完成的凝胶贴附在两片碳布之间，以便测量电化学性能，从而组装得到PAH/PAM一体化超级电容器。
以0～0.8V为电压窗口，测试了柔性超级电容器在50μA g-1、100μA g-1、250μA g-1和500μA g-1电流密度下的恒电流充放电曲线，以及5mV s-1、20mV s-1、50mV s-1和100mV s-1扫描速率下的循环伏安曲线。
如图3所示，为基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器的(a)不同扫描速率下一体化超级电容器的循环伏安曲线，(b)不同电流密度下一体化超级电容器的恒电流曲线。通过电化学工作站对对称型器件的电化学性能进行了分析，并且进一步探究了器件在复杂环境下的能量输出稳定性。图2(a)展示了超级电容器在5mV s-1至100mV s-1下的，循环伏安曲线，所有的循环伏安曲线有着高度对称性，符合双电层的放电机理。在低扫描速率下，曲线近乎矩形，说明极化效应不明显放电行为优良。分析50μA g-1至500μA g-1的10倍电流密度下充放电曲线可以发现，在电流密度为50μA g-1时，超级电容器的质量比电容为11.13mFg-1，在电流密度为500μA g-1时，质量比电容依然有5.88mF g-1，10倍电流密度的容量保留率为52.83％，良好的倍率性能保证了器件在环境波动下的稳定运行。
实施例3
称取4mg二硫化钼(MoS2)，将MoS2与2.2mL去离子水混合，超声30min以均匀分散，磁力搅拌1h形成分散液A。称取0.45g的[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)和0.02852g的过硫酸铵(APS)在磁力搅拌下加入至分散液A中，待完全溶解后，逐滴滴加1.6g的AA，在常温下磁力搅拌至完全溶解。然后，将水浴锅升温至65℃，取出磁子，将溶液静置12h以彻底反应，得到超分子凝胶电极PAM。
称取0.45g的DMAPS和0.02852g的APS在磁力搅拌下加入至2.2mL的溶剂水中，待形成均一稳定溶液后，逐滴滴加1.6g的AA，磁力搅拌至完全溶解，实验条件处于室温。然后，将水浴锅升温至65℃，取出磁子，将溶液静置12h以彻底反应，得到超分子凝胶PAD。
配置1M的H2SO4溶液，将PAD水凝胶浸泡4h以实现充分的离子交换，得到超分子凝胶电解质PAH。将制备的PAM凝胶电极和PAH凝胶电解质在模具中受压形成均一平整的凝胶样块，以电极-电解质-电极的结构进行层层堆叠。组装的凝胶夹在两块载玻片之间，受压以保证界面之间贴合紧密，然后用剪刀裁剪至合适的尺寸(20mm*10mm)。将裁剪完成的凝胶贴附在两片碳布之间，以便测量电化学性能，从而组装得到PAH/PAM一体化超级电容器。
测试了在不同弯曲状态下器件的循环伏安曲线和恒电流充放电曲线。
如图4所示，为基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器的(a)50mV s-1的扫速下一体化超级电容器处于不同弯曲角度的循环伏安曲线，(b)250μA g-1的电流密度下一体化超级电容器处于不同弯曲角度的恒电流充放电曲线。随着弯曲角度的增加，超级电容器的比容量发生轻微的衰减，这是由于弯曲角处界面受应力的影响受压形变所导致的。但在离子缔合与氢键物理网络的作用下，未发生电极/电解质界面间的相对滑移，容量保留率为92.28％。良好的机械强度和界面亲和力保证了超级电容器在变形环境下的形状保持与稳定运行。
实施例4
称取4mg二硫化钼(MoS2)，将MoS2与2.2mL去离子水混合，超声30min以均匀分散，磁力搅拌1h形成分散液A。称取0.45g的[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)和0.02852g的过硫酸铵(APS)在磁力搅拌下加入至分散液A中，待完全溶解后，逐滴滴加1.7g的AA，在常温下磁力搅拌至完全溶解。然后，将水浴锅升温至65℃，取出磁子，将溶液静置12h以彻底反应，得到超分子凝胶电极PAM。
称取0.45g的DMAPS和0.02852g的APS在磁力搅拌下加入至2.2mL的溶剂水中，待形成均一稳定溶液后，逐滴滴加1.7g的AA，磁力搅拌至完全溶解，实验条件处于室温。然后，将水浴锅升温至65℃，取出磁子，将溶液静置12h以彻底反应，得到超分子凝胶PAD。
配置1M的H2SO4溶液，将PAD水凝胶浸泡4h以实现充分的离子交换，得到超分子凝胶电解质PAH。将制备的PAM凝胶电极和PAH凝胶电解质在模具中受压形成均一平整的凝胶样块，以电极-电解质-电极的结构进行层层堆叠。组装的凝胶夹在两块载玻片之间，受压以保证界面之间贴合紧密，然后用剪刀裁剪至合适的尺寸(20mm*10mm)。将裁剪完成的凝胶贴附在两片碳布之间，以便测量电化学性能，从而组装得到PAH/PAM一体化超级电容器。
对器件样品在多个受损/自修复循环周期下的电化学性能进行了表征。
如图5所示，为基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器的(a)50mV s-1的扫速下一体化超级电容器处于不同的损伤/自愈合周期的循环伏安曲线，(b)250μA g-1的电流密度下一体化超级电容器处于不同的损伤/自愈合周期的恒电流充放电曲线，(c)一体化超级电容器的自修复效率，(d)一体化超级电容器于不同的损伤/自愈合周期的阻抗图。待测器件用裁刀切割成两半后，将切割后的断面对接，在受压条件下处于室温自修复2min。在经过多个受损/自修复循环后，循环伏安曲线保持了近似矩形的形状，恒电流充放电图谱也近似于等腰三角形，表明在多次损坏恢复后器件依然保持了稳定输出的能力。在受损/自修复循环过程中，器件性能呈近乎线性的下降，第一次循环过程性能的较大衰减，是由于切割过程中凝胶储能器件在界面上发生了纵向滑移所致。在经过第五次受损/自修复循环后，一体化凝胶超级电容器的容量保留率为72.35％，经过第十次循环后，储能器件的容量保留率为52.15％。高效的自修复行为可归因于两方面：一是受损界面间在离子缔合和氢键网络的作用下，重新生成新的动态网络，构建能量传输通道，实现电化学的自愈合行为；二是电极与电解质均采用凝胶构建，相较于传统的超级电容器结构，在自修复过程中界面上具有更多的活性位点，提升了自修复效率。进一步研究了不同受损/自修复循环周期下的Nyquist曲线，随着自修复循环周期的增长，低频区域的电荷转移电阻逐渐增长，而曲线斜率变小则表示电解质的离子导电能力的衰减，综上所述的现象是一体化超级电容器在受损/自修复循环过程中的纵向滑移，破坏了断面的微观形貌与电极/电解质的两相界面，从而导致了电阻的增加与电化学性能的降低。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器，其特征在于：按照下述步骤进行：
步骤1，将二硫化钼(MoS2)与去离子水混合、超声分散、磁力搅拌后，形成分散液A，取[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)和过硫酸铵(APS)在磁力搅拌下加入上述分散液A中，待完全溶解后，即得到混合溶液，向上述混合溶液中逐滴滴加丙烯酸(AA)后，置于常温20-25℃下磁力搅拌至完全溶解后，55-75℃下水浴加热静置10-15h后，即得到超分子凝胶电极聚丙烯酰胺(PAM)，其中，二硫化钼(MoS2)、[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)、过硫酸铵(APS)和丙烯酸(AA)的质量比为(8-80)：900：57：(900-4500)；
步骤2，将[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)和过硫酸铵(APS)磁力搅拌下溶于水中，形成混合溶液，向上述混合溶液中逐滴滴加丙烯酸(AA)室温20-25℃下磁力搅拌至完全溶解后，55-75℃下水浴加热静置10-15h后，得到超分子凝胶(PAD)，其中，[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)、过硫酸铵(APS)和丙烯酸(AA)的质量比为900：57：(900-4500)；
步骤3，将步骤2制备得到的超分子凝胶(PAD)浸泡在0.8-1.2M的H2SO4溶液中3-5h以实现充分的离子交换，即得到超分子凝胶电解质(PAH)，将步骤1制备得到的超分子凝胶电极聚丙烯酰胺(PAM)和超分子凝胶电解质(PAH)受压形成一凝胶样块，并按照电极-电解质-电极-电解质的结构层层堆叠、组装后得到凝胶组，将上述凝胶组夹在两块载玻片之间施加压力以保证贴合紧密后，按照20mm*10mm尺寸进行裁剪，将裁剪后的凝胶贴附在两片碳布之间，即得到基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)，其中，超分子凝胶电解质(PAH)和超分子凝胶电极聚丙烯酰胺(PAM)的质量比为1：(0.5-2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器，其特征在于：在步骤1中，二硫化钼(MoS2)、[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)、过硫酸铵(APS)和丙烯酸(AA)的质量比为8：900：57：3600，水浴加热温度为65℃，水浴加热时间为12h。
3.根据权利要求1所述的一种基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器，其特征在于：在步骤2中，[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)、过硫酸铵(APS)和丙烯酸(AA)的质量比为900：57：3600，，水浴加热温度为65℃，水浴加热时间为12h。
4.根据权利要求1所述的一种基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器，其特征在于：在步骤3中，超分子凝胶(PAD)浸泡在1M的H2SO4溶液中4h以实现充分的离子交换，即得到超分子凝胶电解质(PAH)，超分子凝胶电解质(PAH)和超分子凝胶电极聚丙烯酰胺(PAM)的质量比为1：2。
5.一种基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器的制备方法，其特征在于：按照下述步骤进行：
步骤1，将二硫化钼(MoS2)与去离子水混合、超声分散、磁力搅拌后，形成分散液A，取[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)和过硫酸铵(APS)在磁力搅拌下加入上述分散液A中，待完全溶解后，即得到混合溶液，向上述混合溶液中逐滴滴加丙烯酸(AA)后，置于常温20-25℃下磁力搅拌至完全溶解后，55-75℃下水浴加热静置10-15h后，即得到超分子凝胶电极聚丙烯酰胺(PAM)，其中，二硫化钼(MoS2)、[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)、过硫酸铵(APS)和丙烯酸(AA)的质量比为(8-80)：900：57：(900-4500)；
步骤2，将[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)和过硫酸铵(APS)磁力搅拌下溶于水中，形成混合溶液，向上述混合溶液中逐滴滴加丙烯酸(AA)室温20-25℃下磁力搅拌至完全溶解后，55-75℃下水浴加热静置10-15h后，得到超分子凝胶(PAD)，其中，[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)、过硫酸铵(APS)和丙烯酸(AA)的质量比为900：57：(900-4500)；
步骤3，将步骤2制备得到的超分子凝胶(PAD)浸泡在0.8-1.2M的H2SO4溶液中3-5h以实现充分的离子交换，即得到超分子凝胶电解质(PAH)，将步骤1制备得到的超分子凝胶电极聚丙烯酰胺(PAM)和超分子凝胶电解质(PAH)受压形成一凝胶样块，并按照电极-电解质-电极-电解质的结构层层堆叠、组装后得到凝胶组，将上述凝胶组夹在两块载玻片之间施加压力以保证贴合紧密后，按照20mm*10mm尺寸进行裁剪，将裁剪后的凝胶贴附在两片碳布之间，即得到基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)，其中，超分子凝胶电解质(PAH)和超分子凝胶电极聚丙烯酰胺(PAM)的质量比为1：(0.5-2)。
6.根据权利要求5所述的一种基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器的制备方法，其特征在于：在步骤1中，二硫化钼(MoS2)、[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)、过硫酸铵(APS)和丙烯酸(AA)的质量比为8：900：57：3600，水浴加热温度为65℃，水浴加热时间为12h。
7.根据权利要求5所述的一种基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器的制备方法，其特征在于：在步骤2中，[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化铵内盐(DMAPS)、过硫酸铵(APS)和丙烯酸(AA)的质量比为900：57：3600，水浴加热温度为65℃，水浴加热时间为12h。
8.根据权利要求5所述的一种基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器的制备方法，其特征在于：在步骤3中，超分子凝胶(PAD)浸泡在1M的H2SO4溶液中4h以实现充分的离子交换，即得到超分子凝胶电解质(PAH)，超分子凝胶电解质(PAH)和超分子凝胶电极聚丙烯酰胺(PAM)的质量比为1：2。
9.如权利要求1-3任一所述的一种基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器在自修复超级电容器上的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：在电流密度为50μA g-1时，基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)的质量比电容为11.13mF g-1，在电流密度为500μAg-1时，基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)的质量比电容依然有5.88mFg-1，10倍电流密度的情况下，基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)的容量保留率为52.83％；
基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)处于不同弯曲角度的情况下，随着弯曲角度的增加，在离子缔合与氢键物理网络的作用下，未发生电极/电解质界面间的相对滑移，使得基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)的容量保留率为92.28％；
在经过五次受损/自修复循环后，基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)的容量保留率为72.35％，经过十次循环后，基于两亲性超分子凝胶的一体化超级电容器(PAH/PAM)的容量保留率为52.15％。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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