[發(fā)明專利]一種柔性可折疊超級(jí)電容器及其制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910905560.4
• 申請(qǐng)日: 2019-09-24
• 公開（公告）號(hào): CN110718402A
• 公開（公告）日: 2020-01-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉先斌;鄒帥;吳子平;尹艷紅;黎業(yè)生
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江西理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G11/84
• 分類號(hào): H01G11/84;H01G11/68;H01G11/70;H01G11/86
• 代理公司: 11401 北京金智普華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 楊采良

本發(fā)明屬于新型先進(jìn)能源存儲(chǔ)器件技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種柔性可折疊超級(jí)電容器及其制備方法，選擇碳納米管宏觀膜作為集流體，表面負(fù)載活性物質(zhì)構(gòu)建近一體化復(fù)合電極；然后通過干燥、裁片、焊接、疊片、組裝、注液和封裝工藝制備柔性可折疊超級(jí)電容器。本發(fā)明碳納米管宏觀膜集流體與活性物質(zhì)層間通過相互嵌入錨合作用形成近一體化的復(fù)合電極，該復(fù)合電極界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、電子/離子的傳導(dǎo)/擴(kuò)散高效，同時(shí)多孔的碳納米管宏觀膜集流體能夠儲(chǔ)存電解液保證了電化學(xué)性能的穩(wěn)定性。基于此組裝的超級(jí)電容器具備高的體積能量密度、能任意彎曲折疊，適應(yīng)工作溫度寬，能應(yīng)用于各式便攜式電子設(shè)備、而且制備方法簡(jiǎn)單，便于大規(guī)模開發(fā)和應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新型先進(jìn)能源存儲(chǔ)器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種柔性可折疊超級(jí)電容器及其制備方法。

背景技術(shù)

目前，最接近的現(xiàn)有技術(shù)：

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的極速發(fā)展，各式各樣的便攜式可穿戴智能電子設(shè)備相繼問世，并且這些電子設(shè)備逐漸向小型化、平面化、柔性化等方向發(fā)展，甚至是能夠在壓、拉、折等多種特殊環(huán)境下持續(xù)穩(wěn)定工作。而當(dāng)下的儲(chǔ)能和供能器件往往過厚過沉、柔性較差，已不能很好地滿足這一新興產(chǎn)業(yè)的要求，所以發(fā)展這些多功能可穿戴電子設(shè)備的關(guān)鍵是開發(fā)與之相匹配的儲(chǔ)能器件，這就需要儲(chǔ)能器件不僅具備長(zhǎng)續(xù)航能力，更重要的是能夠在這些特殊環(huán)境條件下維持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。因此研究新型的高性能柔性可折疊的儲(chǔ)能器件具有十分重要的意義。

超級(jí)電容器作為一種高效、清潔、可持續(xù)的能源，受到廣泛關(guān)注。其具有功率密度高、低溫性能好、使用壽命長(zhǎng)(達(dá)數(shù)十萬(wàn)次)和高安全性等優(yōu)，同時(shí)作為儲(chǔ)能元件的超級(jí)電容器也開始朝著小尺寸、輕質(zhì)量和柔性等方向發(fā)展。現(xiàn)有超級(jí)電容器的能量密度較低，同時(shí)由于選擇鎳、銅、鋁等金屬作為集流體，超級(jí)電容器在形變條件下，包括彎曲、卷繞和折疊等，金屬集流體易產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂進(jìn)而阻斷電子的傳輸，此外在形變作用下集流體表面的電解液會(huì)受到排擠，抑制離子的擴(kuò)散，同時(shí)表面負(fù)載的活性物質(zhì)極易脫落分離，導(dǎo)致超級(jí)電容器性能衰減甚至失效，因此開發(fā)柔性的集流體將其應(yīng)用于超級(jí)電容器中具有重要的價(jià)值。

通過制備柔性的碳基集流體進(jìn)一步構(gòu)建柔性的電極有望實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器的柔性可彎曲，如通過水熱法、電化學(xué)沉積等技術(shù)將活性物質(zhì)負(fù)載在碳布、碳納米管等集流體。然后活性物質(zhì)與集流體間還存在界面問題：電子傳輸受阻、活性物質(zhì)易脫落等問題，為了解決這一界面問題，Zheng Bo等在集流體(foam carbon,foam carbon cloth)和活性物質(zhì)間引入石墨烯作為橋接點(diǎn)，豐富了電子的傳輸路徑，改善了器件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電化學(xué)特性(Adv.Mater.2013,25,5799–5806)。值得注意的是引入石墨烯后，石墨烯與集流體又產(chǎn)生了界面。最近Yongmin Ko等采用化學(xué)自組裝法改善了柔性基體(cellulose papers，非導(dǎo)電基體)與活性物質(zhì)的接觸問題，提升了超級(jí)電容器器件的柔性(Nat.Comm.,2017,8(1):536)。

然而上述的集流體要么不具備柔性特性，要么不具有導(dǎo)電特性，無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異柔性和高導(dǎo)電性，從而限制了柔性超級(jí)電容器的發(fā)展。因此需要進(jìn)一步優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)，進(jìn)而從本質(zhì)上解決電子傳輸、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等界面問題，實(shí)現(xiàn)柔性可折疊、高能量密度和功率密度的超級(jí)電容器。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：

(1)現(xiàn)有技術(shù)中，超級(jí)電容器件柔性特性以及導(dǎo)電特性不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，從而限制了柔性超級(jí)電容器的發(fā)展。而且現(xiàn)有技術(shù)中超級(jí)電容器制備方法復(fù)雜，不便于大規(guī)模開發(fā)和應(yīng)用。

(2)現(xiàn)有技術(shù)往往通過原位生長(zhǎng)活性物質(zhì)，此時(shí)活性物質(zhì)的負(fù)載量偏低，導(dǎo)致器件的整體能量密度較低，無(wú)法滿足滿足智能電子設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間能源需求。

(3)現(xiàn)有技術(shù)中，制備的超級(jí)電容器在柔性折疊過程，電解液受到外力的作用會(huì)二次分布導(dǎo)致在電極表面分布不均，進(jìn)而影響了超級(jí)電容器的供能，無(wú)法真正意義地實(shí)現(xiàn)柔性可折疊環(huán)境下的穩(wěn)定工作。

解決上述技術(shù)問題的難度：