[發明專利]一種線狀的具有光探性能的柔性超級電容器及制備方法

有效

• 申請號: 201310716914.3
• 申請日: 2013-12-23
• 公開（公告）號: CN103646790B
• 公開（公告）日: 2016-11-23
• 發明（設計）人: 沈國震;王顯福
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01G11/46
• 分類號: H01G11/46;H01G11/36;H01G11/86
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明屬于能源器件與光探測相結合的領域，具體涉及一種線狀的具有光探性能的柔性超級電容器及制備方法。

背景技術

隨著柔性電子的發展，柔性的電子器件已經成為各大公司相互競爭的市場熱點。在2013年8月份，柔性技術已被外媒評選為2013年全球十大科技進展之一，并且在10月份，LG公司先后宣布已經成功量產柔性顯示屏和可彎曲的鋰離子電池，由此可見柔性電子產品的時代距我們的生活越來越近。與此同時，伴隨著市場對電子產品微型化、集成化越來越明顯的需求，電子器件集成的研究得到了越來越多的關注。到目前為止，很多種可以實現多種功能的集成器件都得到了很好的發展，如自充電的鋰離子電池、自充電的超級電容器、自驅動的壓力傳感器和智能變色窗等等。但這些基本上都是平面狀的結構，體積較大，不符合集成器件微型化、柔性化的發展道路。相比較而言，線狀的結構具有體積小、彎曲性能優越等優點，發展線狀的柔性集成器件對電子產品柔性、集成的市場化應用有很重要的意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種線狀的非對稱超級電容器。其目的在于提高超級電容器的工作電壓、體積比能量，解決目前電容器比能量低的問題。

本發明的第二目的在于提供一種柔性的具有光探性能的柔性超級電容器。采用石墨烯作為非對稱超級電容器的負極，同時利用石墨烯作為光探的敏感材料，通過檢測電容器漏電流在光照前后的變化，來反映光信號，使得非對稱超級電容器具有光探測器的性能。

根據本發明的一方面，其提供了一種線狀的柔性非對稱超級電容器，其包括非對稱電容器的正極材料、負極材料和電解質，其中正極材料生長在線狀導電基底，負極材料涂覆在纖維后均勻纏繞在線狀導電基底。

其中，所述導電基底為鎳絲、鈦絲或碳纖維，所述正極材料為具有電容性能的半導體材料，所述負極材料為同時具有電容性能和光探性能的材料。

其中，所述正極材料為四氧化三鈷、二氧化錳、氧化鎳或鈷酸鎳。

其中，所述負極材料為石墨烯、碳納米管、碳納米纖維或碳納米顆粒。

其中，所述負極材料可以作為可見光到紅外光的光敏材料，在光照下，通過檢測電容器的漏電流的變化進行光探測。

根據本發明另一方面，其提供了一種線狀的具有光探性能的超級電容器的制備方法，其包括：

步驟1、用水熱法在鎳絲或鈦絲上生長四氧化三鈷納米線陣列用作正極，涂覆在碳纖維上的石墨烯用作負極，用PVA-KOH溶膠作為電解質；

步驟2、將正負電極在PVA-KOH溶膠中浸漬五分鐘；

步驟3、然后將涂有石墨烯的碳纖維纏繞在生長有四氧化三鈷的鎳絲或鈦絲上；

步驟4、在空氣中自然干燥，去除電解質中的水分，完成電容器的制備。

其中，步驟1中四氧化三鈷納米線陣列如下制作：

步驟101、加5mmol六水氯化鈷和20mmol脲素溶解在50mL的去離子水中；

步驟102、取40mL上述溶液加入50mL的高壓釜中；

步驟103、鎳絲或鈦絲先后在去離子水、酒精、丙酮中清洗15分鐘；

步驟104、將清洗好的鎳絲放入上述高壓釜中；

步驟105、在95℃反應4小時，取出后用去離子水清洗，并干燥；

步驟106、將干燥后的樣品，在300℃退火80分鐘，冷卻至室溫即可。

其中，通過下述方法涂覆石墨烯：將10mg的石墨烯溶于20mL?N-甲基吡咯烷酮溶液中，超聲分散3小時；然后將準備好的碳纖維浸漬在上述溶液中30分鐘，取出后在80℃干燥12小時。

其中，所述超級電容器具有儲存能量和光探測的功能。

本發明具有如下有益效果：

a.針對目前對稱性超級電容器電壓窗口比較低的缺點，我們構建了基于四氧化三鈷和石墨烯的非對稱超級電容器，使得電容器的電壓窗口由原來的0.0-0.5V提高到0.0-1.5V(見圖6)。

b.很大的提高了超級電容器的能量密度。與基于四氧化三鈷的對稱性超級電容器相比，其所儲存的能量提高了1860％倍。

c.這種非對稱的線狀電容器體積小、柔性好、結構簡單，對正在發展的可編織的柔性電子器件的發展提供了相應的能量供應。

d.這種非對稱的超級電容器具有光探測器的功能，在存儲能量的同時，實現了對可見光的探測，這對儲能器件與其它器件集成實現具有多功能的電子器件的研究有重要幫助。