CN116741550B - 柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极及基于其的微超级电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极及基于其的微超级电容器，通过电化学驱动方式在柔性基底的叉指状凹槽内形成混合金属粉末的液态金属叉指状电极，再通过电化学方法实现活性电极材料在液态金属叉指电极表面自组装生长形成水凝胶，即获得水凝胶叉指状电极。本发明利用电化学诱导自组装凝胶化的方法实现水凝胶多孔电极的高分辨率图案化制造，利用液态金属的高导电性和可流动性使水凝胶多孔电极具有可拉伸性，制备工艺原理简单高效，电极图案化精度高，易于批量化生产，具有良好的应用前景，应用该电极的平面微超级电容器实现可拉伸的同时在同类器件中具有更高的比电容。

Description

柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极及基于其的微超级电容器
技术领域
本发明涉及柔性可拉伸微型图案化电极领域，具体涉及一种柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极的制备方法及其在微超级电容器中的应用。
背景技术
随着技术的不断进步，电子设备正朝着可穿戴、柔性可拉伸以及微型化的方向发展，柔性可穿戴电子设备可以集成在衣物上或者直接接触人类皮肤，以实现人体生理信号测量、动作识别等活动。人类运动会引起包括弯曲、扭曲特别是皮肤或衣物小范围扩展而造成的拉伸等在内的多种变形状态，因此柔性和可拉伸性是可穿戴电子器件的期望属性，使得电子器件可以适应变形而不降低性能。此外，与其他柔性可拉伸设备一起，用于为可穿戴电子设备上的有源设备供电的能量存储设备也应该能够承受变形，目前也已经成为学术界和产业界的关注热点。在众多储能设备中，柔性微超级电容器（FMSCs）具有柔性可变形、充放电速度快、循环寿命长、易于平面集成和微型化等优势（Adv.Mater.2020, 32,2002180），是近年来新兴微型储能器件的研究热点。
目前FMSCs的电极仅限于弯曲、扭曲和折叠，实现可拉伸功能是较为困难的，因为活性电极材料在拉伸状态容易断裂并与基底脱离。同时，实现可拉伸后的FMSCs电极破坏后的恢复以及对其性能的影响也是一个难点。目前可拉伸功能实现的主要策略有两个。一个是在柔性基底上设计一些特殊的屈曲结构比如波浪状膜或折纸结构等，例如Qi等人（Adv.Mater. 2015, 27, 5559）开发了一种用于可拉伸超级电容器的悬浮波浪形结构，消除了当电极直接连接到基板上时可以施加到电极上的应变。另一个是采用岛桥配置，即通过可拉伸的导电线条连接多个刚性的单元器件岛阵列实现整体器件系统的可拉伸，例如Lee等人（Energy Environ. Sci. 2015, 8, 1764）通过在PET薄膜岛上构建微型超级电容器并将其与Ecoflex衬底顶部的液态金属互连连接来制造微型超级电容器阵列。岛桥设计由于在拉伸区域（连接导线）不存储能量，因此会较大的降低面能量密度，且不利于整体器件的微型化。专利CN113506690B提出了一种基于聚吡咯/液态金属可拉伸电极材料及制备与应用，利用手动刮涂液态金属制备可拉伸电极，采用电化学聚合方式在液态金属上制备聚吡咯电极用于三明治结构超级电容器的正负极，但是一方面手动刮涂精度低不利于图案化制造，另一方面三明治结构超级电容器不易实现微型化。
另一方面，柔性可拉伸微超级电容器在满足可变形性能的同时也需要提升其能量存储性能，从而满足更广泛的实际应用场景，其中电极材料的选择是提高储能性能的关键之一。二维材料如MXene、石墨烯等由于具有大比表面积、高电导率而成为超级电容器电极材料的优异选择。但是，二维材料片层间的聚集和堆叠会降低实际的比表面积利用率，增加离子传输路径，阻碍电解质与电极材料的充分接触，许多研究者选择将二维材料设计制备成多孔结构如水凝胶和气凝胶等。例如Shao（Adv. Mater. 2016, 28, 6719–6726）等人通过冷冻铸造制备了3D多孔石墨烯，与真空过滤的还原氧化石墨烯电极相比，3D多孔还原氧化石墨烯的离子扩散更容易，电子传输阻力更小，其电化学性能显著增强；Zhu等人（JENERGY STORAGE. 2022. 47. 103911）通过低温水热处理获得了具有分级多孔结构的三维MXene多孔还原氧化石墨烯水凝胶，并将其用作性能优异的无粘合剂超级电容器电极。但是目前制备的水凝胶等多孔形态的电极多为较厚的块状，难以实现微型叉指状图案化，因此主要应用于三明治型超级电容器，无法用于可拉伸的微型超级电容器。
综上所述，通过结构设计实现FMSCs可拉伸的方法存在过程繁琐，活性材料与柔性基底易分离，导致器件性能降低等问题。同时，现有的设计主要注重可拉伸性，在电极材料设计方面，有利于提升二维材料储能性能的多孔水凝胶难以实现平面图案化。
发明内容
基于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极的制备方法及其在微超级电容器中的应用。本发明利用电化学诱导自组装凝胶化的方法实现水凝胶多孔电极的高分辨率图案化制造，利用液态金属的高导电性和可流动性使水凝胶多孔电极具有可拉伸性，制备工艺原理简单高效，电极图案化精度高，易于批量化生产，具有良好的应用前景，应用该电极的平面微超级电容器实现可拉伸的同时在同类器件中具有更高的比电容。本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明首先公开了一种柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、利用平面绘图软件，设计叉指状电极图案；
步骤2、按照步骤1设计的叉指状电极图案，利用激光切割方式在双层膜上加工叉指状镂空，获得叉指状掩模；
所述双层膜的下层为第一柔性聚合物膜、上层为硬质保护膜；
步骤3、以硬质保护膜一侧朝外，将步骤2所得叉指状掩模的第一柔性聚合物膜贴附键合在第二柔性聚合物膜上方，形成具有叉指状凹槽的柔性基底；
从硬质保护膜一侧在柔性基底表面溅射金属层，然后去除硬质保护膜，使金属层仅覆盖于凹槽中的基底上；
步骤4、将步骤3所得柔性基底放入NaOH溶液中，在凹槽中滴加金属粉末/液态金属复合材料，通过电化学驱动方式实现金属粉末/液态金属复合材料对叉指状凹槽的填充，获得形成有金属粉末/液态金属叉指状电极的柔性基底；
步骤5、将步骤4所得柔性基底放入活性电极材料的水溶液中，通过电化学方法实现活性电极材料在液态金属表面自组装形成水凝胶，获得柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极。
进一步地，步骤1中设计的叉指状电极图案的叉指宽度、叉指间距、叉指长度等参数可以根据实际需求调整。
进一步地，步骤2中双层膜下层的第一柔性聚合物膜为可拉伸的硅橡胶膜。优选地，所述硅橡胶膜为PDMS或Ecoflex等。
进一步地，步骤2中双层膜上层的硬质保护膜不可拉伸。优选地，所述硬质保护膜为PET、PI或离型纸等。
进一步地，步骤2中激光切割的功率设置为800kW，速率设置为4.5-6.5mm/s。
进一步地，步骤3中的第二柔性聚合物膜与双层膜中的第一柔性聚合物膜为相同的硅橡胶材料，经过等离子体处理后将它们紧密贴附实现键合。优选地，等离子体处理时间为1-2min。
进一步地，步骤3中所述溅射金属层是先溅射一层铬增加粘附性，再溅射一层铜。优选地，铬层的溅射厚度为5-20nm，铜层的溅射厚度为200-500nm。
进一步地，步骤4所述金属粉末/液态金属复合材料中，金属粉末为铜或锌金属粉末，液态金属为镓基液态金属，金属粉末与液态金属的质量比为1:5-20。
进一步地，步骤4所述电化学驱动方式是将凹槽中的金属层连接负极，将NaOH溶液连接正极，施加恒电位直至金属粉末/液态金属复合材料完全覆盖凹槽中的金属层。优选地，施加电压为5-10V。优选的，所述NaOH溶液的浓度为0.1-1mol/L。
进一步地，金属粉末/液态金属复合材料在制备时，是将金属粉末与液态金属加入到NaOH溶液中，液态金属与金属粉末由于原电池反应可以充分混合形成金属粉末/液态金属复合材料，将复合材料从NaOH溶液中吸出，用于滴加在凹槽中。
进一步地，步骤5，在通过电化学方法实现活性电极材料在液态金属表面自组装形成水凝胶的过程中，以金属粉末/液态金属叉指电极为工作电极、以铂电极为对电极、以Ag/AgCl电极为参比电极，以活性电极材料的水溶液为电解液，通过施加恒电位来实现凝胶化。优选地，所述活性电极材料为MXene、氧化石墨烯GO和PEDOT:PSS中的一种或多种，溶液浓度为3-10mg/mL。优选地，所述恒电位的电压为0.3-1V，施加时间为100-200s。
本发明所制备的所述水凝胶叉指状电极的参数优选设置为：叉指宽度为100-1000μm、叉指间距为100-500μm，叉指长度为8-10mm、叉指厚度为100-200μm。在该参数下，可使后续组装的微超级电容器具有更优异的性能，如更高的比电容。
本发明进一步地提供了一种柔性可拉伸的微超级电容器，是由所述的柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极制成，具体是将所述水凝胶叉指状电极的表面涂覆凝胶电解质，电极两端连接导线，再利用柔性聚合物薄膜进行封装，即可得到柔性可拉伸的微型超级电容器。
进一步地，所述凝胶电解质为聚乙烯醇/离子液体导电凝胶。优选地，所述聚乙烯醇的浓度为0.1-0.4g/mL。优选地，所述离子液体为PYR14TFSI、EMIM:TFSI和LiTFSI中的一种，其浓度为1-21mol/L。
进一步地，用于封装的柔性聚合物薄膜与所述第一柔性聚合物膜、所述第二柔性聚合物膜为同一种材料。
本发明提供的柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极的制备方法中，由于液态金属具有高导电性和可流动性，可将其作为可拉伸集流体的材料，利用电化学驱动方式实现液态金属的图案化。首先利用激光切割加工具有叉指状镂空图案的掩模，再将其和同种材料的柔性聚合物膜通过等离子体清洗机进行处理，在柔性聚合物膜（如硅橡胶膜）表面引入含氧官能团，从而实现上层掩模和下层基底的紧密键合。然后在掩模层溅射一层铬和铜，铬层的作用是为了提高铜层在基底上的粘附力，溅射完成后去除上层掩模表面的硬质膜牺牲层，使得铜层只覆盖于凹槽中的基底上。液态金属与铜或锌在NaOH溶液中由于原电池反应可以实现完全混合，形成金属粉末/液态金属复合材料。电化学驱动的过程在NaOH溶液环境中进行，是由于液态金属表面的氧化镓层会被NaOH反应去除从而降低其表面张力，使其更容易实现流动，具体是将铜层接负极、NaOH溶液接正极，当向系统施加直流电压时，电场驱动正离子和负离子向液态金属液滴的相应侧移动，产生相等和相反的表面电荷。接触线附近的电势差会产生局部定向流，来自电场的总力表现出驱动力，该驱动力可以克服静摩擦力和粘滞力的最大值，从而导致液态金属在铜表面上的电化学活性润湿和扩散。电化学驱动方式的液态金属图案化相比较于其它方式具有过程快速高效、图案分辨率高、液态金属分布均匀、表面整洁等优势。
本发明还提供了纳米活性电极材料图案化水凝胶的制备方案，在该方案中，将金属粉末/液态金属叉指状电极放置于纳米活性电极材料的水溶液中，利用电化学三电极体系实现纳米活性电极材料在液态金属表面自组装生长形成水凝胶，将金属粉末/液态金属叉指状电极作为工作电极、铂电极作为对电极、Ag/AgCl电极作为参比电极，未施加电位时，纳米活性电极材料由于带有同种电荷的亲水官能团静电排斥，使得其在水中分散良好。施加氧化电位时，混合Cu或Zn金属粉末的液态金属电极释放Cu2+或Zn2+，中和静电斥力，局部诱导纳米活性电极材料自组装，在液态金属表面形成多孔水凝胶，提升可与电解质接触的有效比表面积。由于水凝胶只在液态金属表面形成，所以水凝胶图案化的分辨率高、边界平直清晰，整个制备过程无需高温高压条件，高效简单。
本发明提供的柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极应用于柔性可拉伸的微超级电容器中，是将聚乙烯醇/离子液体凝胶电解质涂覆于叉指状电极表面，并使用与柔性基底同种的硅橡胶完成键合实现封装。使用离子液体作为电解质一方面可以提升器件的电压窗口和环境耐受性，另一方面由于其pH为中性，可以避免充放电过程中液态金属的聚集而导致电极的破坏。
本发明将制备得到的柔性可拉伸的微超级电容器连接在电化学工作站上，进行循环伏安法测试，工作电压窗口设置为0～0.8V，充放电的电流密度为0.2-5mA。采用CHI660E电化学分析仪（上海辰华仪器有限公司生产）测试微超级电容器的电化学性能，测试条件为室温。实验结果表明，可拉伸的微超级电容器的能量密度不低于7.54μWh/cm2，功率密度不低于9.05mW/cm2。
本发明将得到的微超级电容器的两端夹在拉伸机上，两个电极用碳布和导线引出，接上电化学工作站，测试拉伸状态及拉伸释放后的电容保持率。实验结果表明，本发明提供的柔性可拉伸液态金属基的MXene水凝胶电极材料制备的可拉伸微超级电容器在拉伸10～50%状态下的电容保持率不低于75%，在拉伸10～70%释放后的电容保持率不低于90%。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明利用液态金属的流动性和高导电特性，将其作为图案化电极的底层，一方面给FMSCs提供了高导电的集流体，另一方面实现了本质上可以拉伸的FMSCs，提高了器件变形状态的稳定性。
2、本发明在微叉指图案化的液态金属表面生成活性电极材料的多孔水凝胶，进一步提升了有效比表面积，增大FMSCs的储能性能。
3、本发明采用电化学一体化图案化方法，高效便捷的生成高分辨率液态金属图案和活性材料水凝胶图案，为可拉伸水凝胶图案化电极的制造提供了一种新思路。
附图说明
图1为实施例1中叉指状电极结构的示意图。
图2为实施例1中柔性可拉伸的MXene水凝胶叉指状电极及基于其的微超级电容器的侧剖视角的制备流程示意图，图中标号：1为PET硬质膜；2为PDMS膜；3为金属层；4为NaOH标准溶液；5为铜粉/液态金属复合材料；6为MXene水溶液；7为MXene水凝胶；8为凝胶电解质。
图3为实施例1中柔性可拉伸的MXene水凝胶叉指状电极及基于其的微超级电容器的立体视角的制备流程示意图。
图4为实施例1中在叉指状凹槽磁控溅射完铬层和铜层后的照片。
图5为实施例1中铜粉/液态金属复合材料完全覆盖凹槽中的铜层后完成图案化后的照片。
图6为实施例1中利用电化学方式在液态金属表面形成MXene水凝胶后的照片。
图7为实施例1中MXene水凝胶的多孔微观结构电镜图。
图8为实施例2中混合PEDOT:PSS后的水凝胶电极在拉伸前后的状态对比照片。
图9为对比例1中混合与未混合铜粉的液态金属表面在通过电化学方法实现凝胶化后的照片。
图10为应用例1中制备的微超级电容器在电压窗口为0-0.8V下的循环伏安特性曲线图。
图11为应用例1中制备的微超级电容器在电压窗口为0-1.8V下的循环伏安特性曲线图。
图12为应用例1中制备的微超级电容器在拉伸20%过程中的循环伏安特性曲线对比图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
利用电化学方式制造柔性可拉伸的MXene水凝胶叉指状电极，叉指状电极如图1所示，该方法按照图2和图3所示的步骤进行：
步骤1、利用平面绘图软件，设计叉指状电极图案，如图1所示，叉指宽度为1000μm，叉指间距为400μm，叉指长度为10mm，外围轮廓为12.2mm×13.6mm。
步骤2、按照步骤1设计的叉指状电极图案，如图2中的（a）所示，利用皮秒激光器切割双层膜加工叉指状镂空，获得叉指状掩模。双层膜由下层的PDMS膜2和上层的PET硬质膜1组成，PDMS膜厚度为200μm。皮秒激光器的激光加工参数中功率设置为800kW，速率设置为6.5mm/s，次数为1次。
步骤3、如图2中的（b）所示，将叉指状掩模的PDMS膜和另一片200μm厚度的PDMS基底在等离子体清洗机中处理1min后紧密贴附完成键合，形成具有叉指状凹槽的柔性基底。将上述柔性基底放入磁控溅射机中，在凹槽一侧依次溅射20nm铬层和400nm铜层作为金属层3。如图2中的（c）所示，去除上层PET硬质膜，实物图如图4所示。
步骤4、在10mL浓度为1mol/L的NaOH标准溶液中加入10g镓铟锡液态金属，再添加0.5g铜粉（由直径在10微米左右的铜颗粒构成，下同），震荡10min后铜粉完全与液态金属混合，从NaOH标准溶液中将铜粉/液态金属复合材料吸出。
如图2中的（d）所示，将柔性基底放入浓度为1mol/L的NaOH标准溶液4中，在凹槽中滴加铜粉/液态金属复合材料5，使其与铜层完全接触，分别将凹槽内的铜层和NaOH标准溶液接到负极和正极，施加5V电压驱动液态金属在铜层表面移动，直至液态金属完全覆盖凹槽中的铜层，获得形成有铜粉/液态金属叉指状电极的柔性基底，实物图如图5所示。如图2中的（e）所示，将获得的有铜粉/液态金属叉指状电极的柔性基底从NaOH标准溶液中取出。
步骤5、如图2中的（f）所示，将步骤4所得柔性基底放入5mg/mL的MXene水溶液6中。以叉指电极为工作电极、铂电极为对电极、Ag/AgCl电极为参比电极、MXene水溶液为电解液，施加0.5V的恒电位持续160s，形成MXene水凝胶7。然后如图2中的（g）所示，将叉指电极取出，去除多余MXene溶液，实物图如图6所示，MXene水凝胶的多孔微观结构电镜图如图7所示。
实施例2
利用电化学方式制造柔性可拉伸的结构稳定的MXene/PEDOT:PSS复合水凝胶叉指状电极，步骤如下：
步骤1、利用平面绘图软件，设计叉指状电极图案，叉指宽度为1000μm，叉指间距为400μm，叉指长度为10mm，外围轮廓为12.2mm×13.6mm。
步骤2、按照步骤1设计的叉指状电极图案，利用皮秒激光器切割双层膜加工叉指状镂空，获得叉指状掩模。双层膜由下层的PDMS膜和上层的PET硬质膜组成，PDMS膜厚度为200μm。皮秒激光器的激光加工参数中功率设置为800kW，速率设置为6.5mm/s，次数为1次。
步骤3、将叉指状掩模的PDMS膜和另一片200μm厚度的PDMS基底在等离子体清洗机中处理1min后紧密贴附完成键合，形成具有叉指状凹槽的柔性基底。将上述柔性基底放入磁控溅射机中，在凹槽一侧依次溅射20nm铬层和400nm铜层，然后去除上层PET膜。
步骤4、在10mL浓度为1mol/L的NaOH标准溶液中加入10g镓铟锡液态金属，再添加0.5g铜粉，震荡10min后铜粉完全与液态金属混合，从NaOH标准溶液中将铜粉/液态金属复合材料吸出。
将柔性基底放入浓度为1mol/L的NaOH标准溶液中，在凹槽中滴加铜粉/液态金属复合材料，使其与铜层完全接触，分别将凹槽内的铜层和NaOH标准溶液接到负极和正极，施加5V电压驱动液态金属在铜层表面移动，直至液态金属完全覆盖凹槽中的铜层，获得形成有铜粉/液态金属叉指状电极的柔性基底。将柔性基底从NaOH标准溶液中取出。
步骤5、将步骤4所得柔性基底放入5mg/mL的MXene/PEDOT:PSS混合水溶液中，MXene和PEDOT:PSS的质量比为7：1。以叉指电极为工作电极、铂电极为对电极、Ag/AgCl电极为参比电极、MXene/PEDOT:PSS混合水溶液为电解液，施加0.5V的恒电位持续160s，然后将叉指电极取出。
混合PEDOT:PSS后的水凝胶电极拉伸状态下的机械稳定性更好，其拉伸前后的状态对比如图8所示。
对比例1
使用不混合金属粉末的镓铟锡液态金属作为活性电极水凝胶的生长基底，以此对比混合金属粉末的作用，步骤如下：
步骤1、利用平面绘图软件，设计叉指状电极图案，叉指宽度为1000μm，叉指间距为400μm，叉指长度为10mm，外围轮廓为12.2mm×13.6mm。
步骤2、按照步骤1设计的叉指状电极图案，利用皮秒激光器切割双层膜加工叉指状镂空，获得叉指状掩模。双层膜由下层的PDMS膜和上层的PET硬质膜组成，PDMS膜厚度为200μm。皮秒激光器的激光加工参数中功率设置为800kW，速率设置为6.5mm/s，次数为1次。
步骤3、将叉指状掩模的PDMS膜和另一片200μm厚度的PDMS基底在等离子体清洗机中处理1min后紧密贴附完成键合，形成具有叉指状凹槽的柔性基底。将上述柔性基底放入磁控溅射机中，在凹槽一侧依次溅射20nm铬层和400nm铜层，然后去除上层PET膜。
步骤4、将柔性基底放入浓度为1mol/L的NaOH标准溶液中，在凹槽中滴加未混合任何金属粉末的镓铟锡液态金属，使其与铜层完全接触，分别将凹槽内的铜层和NaOH标准溶液接到负极和正极，施加5V电压驱动液态金属在铜层表面移动，直至液态金属完全覆盖凹槽中的铜层，获得形成有液态金属叉指状电极的柔性基底。将柔性基底从NaOH标准溶液中取出。
步骤5、将步骤4所得柔性基底放入5mg/mL的MXene水溶液中。以叉指电极为工作电极、铂电极为对电极、Ag/AgCl电极为参比电极、MXene水溶液为电解液，施加0.5V的恒电位持续160s，然后将叉指电极取出。
结果表明，未混合任何金属粉末的镓铟锡液态金属表面与混合铜粉的镓铟锡液态金属表面相比无法形成致密的MXene水凝胶，仅覆盖一层薄薄的MXene水溶液，如图9所示，其表面水分快速蒸发，呈现彩色。
应用例1
使用柔性可拉伸的MXene水凝胶叉指状电极制作微超级电容器，步骤如下：
如图2中的（h）所示，将实施例1所得叉指状电极的表面涂覆PVA/LiTFSI凝胶电解质8（LiTFSI浓度为21mol/L，PVA浓度为0.4g/mL）。电极两端连接导线，使用PDMS薄膜进行封装，即可得到柔性可拉伸微超级电容器。
将制备得到的柔性可拉伸的微超级电容器在室温下连接到CHI660E电化学工作站上进行循环伏安法测试，工作电压窗口设置为0～0.8V和0-1.8V，所得伏安特性曲线分别如图10和图11所示。实验结果表明，微超级电容器的面积比电容为16.76mF/ cm2，能量密度为7.54μWh/cm2，功率密度为9.05mW/cm2。
将得到的微超级电容器的两端夹在拉伸机上，两个电极用碳布和导线引出，接上电化学工作站，测试拉伸状态及拉伸释放后的电容保持率。微超级电容器在拉伸20%过程中的伏安特性曲线对比如图12所示，实验结果表明，在拉伸20%释放后的电容保持率不低于90%。
以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用平面绘图软件，设计叉指状电极图案；
步骤2、按照步骤1设计的叉指状电极图案，利用激光切割方式在双层膜上加工叉指状镂空，获得叉指状掩模；
所述双层膜的下层为第一柔性聚合物膜、上层为硬质保护膜；
步骤3、以硬质保护膜一侧朝外，将步骤2所得叉指状掩模的第一柔性聚合物膜贴附键合在第二柔性聚合物膜上方，形成具有叉指状凹槽的柔性基底；
从硬质保护膜一侧在柔性基底表面溅射金属层，然后去除硬质保护膜，使金属层仅覆盖于凹槽中的基底上；
步骤4、将步骤3所得柔性基底放入NaOH溶液中，在凹槽中滴加金属粉末/液态金属复合材料，通过电化学驱动方式实现金属粉末/液态金属复合材料对叉指状凹槽的填充，获得形成有金属粉末/液态金属叉指状电极的柔性基底；
步骤5、将步骤4所得柔性基底放入活性电极材料的水溶液中，通过电化学方法实现活性电极材料在液态金属表面自组装形成水凝胶，获得柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极。
2.根据权利要求1所述的柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极的制备方法，其特征在于：所述第一柔性聚合物膜与所述第二柔性聚合物膜为相同的硅橡胶材料，所述第一柔性聚合物膜与所述第二柔性聚合物膜通过等离子体处理的方式实现键合。
3.根据权利要求1所述的柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极的制备方法，其特征在于：步骤3中所述溅射金属层是先溅射一层铬，再溅射一层铜。
4.根据权利要求1所述的柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极的制备方法，其特征在于：步骤4所述金属粉末/液态金属复合材料中，金属粉末为铜或锌金属粉末，液态金属为镓基液态金属，金属粉末与液态金属的质量比为1:5-20。
5.根据权利要求1所述的柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极的制备方法，其特征在于：步骤4所述电化学驱动方式是将凹槽中的金属层连接负极，将NaOH溶液连接正极，施加恒电位直至金属粉末/液态金属复合材料完全覆盖凹槽中的金属层。
6.根据权利要求1所述的柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极的制备方法，其特征在于：步骤5，在通过电化学方法实现活性电极材料在液态金属表面自组装形成水凝胶的过程中，以金属粉末/液态金属叉指状电极为工作电极、以铂电极为对电极、以Ag/AgCl电极为参比电极，以活性电极材料的水溶液为电解液，通过施加恒电位来实现凝胶化。
7.根据权利要求1或6所述的柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极的制备方法，其特征在于：所述活性电极材料为MXene、氧化石墨烯和PEDOT:PSS中的一种或多种，活性电极材料的水溶液的浓度为3-10mg/mL。
8.根据权利要求1所述的柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极的制备方法，其特征在于：所述水凝胶叉指状电极的叉指宽度为100-1000μm、叉指间距为100-500μm、叉指长度为8-10mm、叉指厚度为100-200μm。
9.一种权利要求1~8中任意一项所述制备方法所制得的柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极。
10.一种柔性可拉伸的微超级电容器，其特征在于，由权利要求9所述的柔性可拉伸的水凝胶叉指状电极制成。
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