[發(fā)明專利]一種高電壓柔性固態(tài)超級電容器及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710969308.0
• 申請日: 2017-10-16
• 公開（公告）號: CN107919233B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王凱;馬衍偉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院電工研究所
• 主分類號: H01G11/56
• 分類號: H01G11/56;H01G11/36;H01G11/84
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 關(guān)玲

一種高電壓柔性固態(tài)超級電容器及其制備方法，包括凝膠電解質(zhì)薄膜、柔性集流體、電極和封裝層；所述電極涂覆于柔性集流體表面，構(gòu)成柔性電極片；依照封裝層?柔性電極片?凝膠電解質(zhì)膜?柔性電極片?封裝層的順序疊放，封裝層包裹柔性電極片?凝膠電解質(zhì)膜?柔性電極片。首先制備電極活性材料和柔性電極片，然后制備離子凝膠并澆鑄成薄膜，將兩個柔性電極片和凝膠電解質(zhì)按照柔性電極片?凝膠薄膜?柔性電極片的順序疊放，用熱塑性高分子薄膜封裝后制成高電壓柔性固態(tài)超級電容器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超級電容器及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著可穿戴柔性智能設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，開發(fā)體積小、質(zhì)量輕、柔性科可卷曲的儲能器件成為當(dāng)前大家密切關(guān)注的研究領(lǐng)域。超級電容器是一種具有高功率、高安全性、寬溫度使用范圍和長循環(huán)壽命等優(yōu)點的電化學(xué)儲能器件。柔性超級電容器是指在彎曲、扭曲甚至拉伸的狀態(tài)下仍然可以工作的柔性儲能器件，尤其適合應(yīng)用于可穿戴設(shè)備。當(dāng)前，超級電容器的能量密度仍然不夠理想，一般為5-10Wh/Kg，限制了其進(jìn)一步工程化應(yīng)用。

根據(jù)超級電容器的能量密度公式E＝1/2CU²，可以看出其能量密度主要取決于電容C和電壓U。當(dāng)前，研究者對于柔性超級電容器能量密度的提高，大都著眼于制備獲得高性能柔性電極以提高電容C。超級電容器的電壓窗口取決于所采用的電解質(zhì)體系。當(dāng)前柔性電容器采用的電解質(zhì)一般為水溶液或者水凝膠體系，其電壓窗口最大為1.23V。但是拓寬其電壓U，顯然可以更加顯著的提高能量密度。離子液體是一種由有機(jī)陽離子和陰離子組成的有機(jī)熔鹽，其電壓窗口可達(dá)5V左右。遠(yuǎn)高于水系電解液的電壓范圍，因此稱為高電壓電解質(zhì)。當(dāng)前，在常規(guī)超級電容器的研究中，已有采用離子液體提高電壓范圍的相關(guān)報導(dǎo)。但是，在柔性超級電容器領(lǐng)域，尚未有相關(guān)報導(dǎo)。進(jìn)一步，由于離子液體粘度大、擴(kuò)散阻力大，因此針對離子液體對碳基電極材料進(jìn)行針對性設(shè)計，獲得適合離子液體體系的新型高性能電極是開發(fā)高電壓柔性電容器的重要環(huán)節(jié)。

此外，對于柔性可彎折器件，器件使用過程的多次彎折會造成液體電解質(zhì)的泄露。因此為了克服漏液隱患，且易于制備封裝，在柔性器件中廣泛使用的是固態(tài)電解質(zhì)。因此，需要將將離子液體和高分子基體材料混合，制備成高電壓的離子凝膠。其中，高分子基體呈空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其空隙中充滿了離子液體電解質(zhì)，共同構(gòu)成離子凝膠；開發(fā)高性能碳基電極和高電壓離子凝膠，是獲得下一代高性能柔性超級電容器的重要途徑。但是目前尚未有基于高電壓離子液體凝膠的柔性超級電容器報道。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服當(dāng)前柔性固態(tài)超級電容器的能量密度較低問題，本發(fā)明提出一種高電壓柔性固態(tài)超級電容器及其制備方法，擬通過提升器件的電壓來提高器件能量密度。

本發(fā)明高電壓柔性固態(tài)超級電容器包括凝膠電解質(zhì)薄膜、柔性集流體，以及電極和封裝層。所述的電極包含活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑。所述的電極涂覆于柔性集流體表面，構(gòu)成柔性電極片。凝膠電解質(zhì)薄膜、柔性集流體、電極和封裝層按照封裝層-柔性電極片-凝膠電解質(zhì)膜-柔性電極片-封裝層的順序排列疊放。封裝層包裹柔性電極片-凝膠電解質(zhì)膜-柔性電極片。

所述電極的活性材料為石墨烯、碳納米管、多孔炭中的一種或由幾種組成的復(fù)合物；優(yōu)選的，所述的活性材料為石墨烯基多孔碳復(fù)合納米材料。

所述的凝膠電解質(zhì)為高電壓離子凝膠；高電壓離子凝膠包含高分子基體材料和離子液體電解質(zhì)。高分子基體呈空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其空隙中充滿離子液體電解質(zhì)，形成凝膠薄膜。

所述的高分子基體材料為聚偏氟乙烯(PVdF)、(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物(PVDF-HFP)、聚氧乙烯(PEO)；優(yōu)選的，所述高分子基體材料為(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物(PVDF-HFP)。