[發明專利]一種基于碳基復合電極的柔性超級電容器及制備方法

在審

• 申請號: 202110798506.1
• 申請日: 2021-07-15
• 公開（公告）號: CN113488339A
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 王超倫;金夢歌;鄒欣宇;喬雨翀;吳幸
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: H01G11/26
• 分類號: H01G11/26;H01G11/32;H01G11/34;H01G11/36;H01G11/46;H01G11/56;H01G11/74;H01G11/78;H01G11/84;H01G11/86;H01G13/00
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發明提供了一種基于碳基復合電極的柔性超級電容器及制備方法，屬于柔性超級電容器領域。柔性碳纖維作為超級電容器的集流體，蔗糖、氧化石墨烯和PI膠作為碳源，采用激光燒蝕法、熱還原法和電化學沉積法，制備了具有多級納米結構的碳纖維/導電石墨/石墨烯/MnO₂的復合活性電極。利用碳纖維/導電石墨/石墨烯復合電極的高比表面積結合電極表面MnO₂的贗電容效應，實現高電容量的柔性超級電容器的制備。最后結合硅膠柔性封裝，使柔性超級電容器具有良好的生物相容性和良好的柔性彎曲性能，提高超級電容器的工作可靠性。

技術領域

本發明屬于柔性可穿戴超級電容器領域，涉及一種基于碳基復合電極的柔性超級電容器的制備方法。

背景技術

近年來電子設備正在向著輕薄化和柔性化的方向發展，當前面臨的挑戰之一是與柔性電子器件相匹配的柔性且輕薄的能源器件。超級電容器具有高功率密度和長循環壽命，在消費電子市場和不間斷電源領域得到了廣泛的應用，如交通領域在制動過程中快速儲存能量?？蒲腥藛T已經開始嘗試用不同的制備方法實現超級電容器的柔性化。Cui等人（Kaempgen M., Chan C. K., Ma J., et al. Printable Thin Film SupercapacitorsUsing Single-Walled Carbon Nanotubes. Nano Lett 2009, 9(5), 1872-1876.）利用碳納米管分散體的浸沒粘附特性，構建了一種基于織物的平面柔性超級電容器。Elkady等人（El-Kady M. F., Strong V., Dubin S., et al. Laser Scribing of High-Performance and Flexible Graphene-Based Electrochemical Capacitors. Science2012, 335(6074), 1326-1330.）利用light-scribe dvd中的激光實現了具有空腔效應的石墨氧化膜還原。

目前超級電容器在柔性化和電容量密度方面還面臨挑戰，一方面，用單一材料或方法提高超級電容器的比表面積，增大電荷存儲密度已經存在瓶頸，同時，滿足超級電容器電極對導電性和電荷存儲能力等多種性能指標的要求還難以實現。另一方面，在實現超級電容器全柔性化的同時保證使用過程中良好的穩定性也是需要解決的問題。

發明內容

本發明的目的是基于背景技術存在的技術問題而提出的一種基于碳基復合電極的柔性超級電容器及制備方法。

碳纖維作為柔性集流體，具有良好的柔韌性和高導電率。通過對碳纖維集流體表面進行活化修飾，可以提高比表面積和電荷存儲密度。利用蔗糖激光碳化提高碳纖維表面的粗糙度，在此基礎上通過高溫碳化PI膠與氧化石墨烯進一步增大碳纖維表面的比表面積。氧化石墨烯直接附著在碳纖維表面的結合力很弱，容易脫落，利用PI膠溶液可以將片狀氧化石墨烯粘結在碳纖維表面，提高電極的穩定性，通過高溫退火碳化后，就能在碳纖維表面形成結合牢固的片狀石墨烯。在此基礎上結合金屬氧化物電鍍工藝，提高復合電極的電荷存儲密度。聚乙烯醇（PVA）溶液中加入磷酸作為交聯引發劑，同時作為質子源，引發聚乙烯醇與戊二醛交聯，得到凝膠聚合物電解質。該凝膠電解質具有寬電位窗口、寬使用溫度范圍，綠色無毒等優點，是作為柔性超級電容器的優選材料。聚二甲基硅氧烷PDMS具有良好的柔性、密封性和生物相容性，可以將超級電容器與外界環境隔離，并保持優異的彎折性能，同時對人體皮膚無害。

利用復合材料電極的大比表面積與贗電容效應，同時結合PVA凝膠電解質和柔性PDMS封裝材料，得到電荷存儲密度高、工作穩定和生物相容性好的柔性超級電容器。

實現本發明目的具體技術方案是：