超级电容器、能源包、自充电能源包及其制备方法技术

技术编号:21226705 阅读:24 留言:0更新日期:2019-05-29 07:27
超级电容器、能源包、自充电能源包及其制备方法,其中超级电容器包括:叉指电极集流体,该叉指电极集流体采用透明导电材料;活性电极,覆盖于叉指电极集流体上方,该活性电极采用电致变色材料;以及固态电解质,分布于活性电极上表面。本公开的超级电容器的活性电极采用电致变色材料,从而在超级电容器的充电过程中,活性电极的颜色会随超级电容器存储状态的改变而发生变化,从而可直接客观的反应出超级电容器的电量存储状态。

Supercapacitors, energy packages, self-charging energy packages and their preparation methods

Supercapacitors, energy packages, self-charging energy packages and their preparation methods, in which supercapacitors include: interdigital collectors, which use transparent conductive materials; active electrodes, which cover the fluid collectors of interdigital electrodes, which use electrochromic materials; and solid electrolytes, which distribute on the surface of active electrodes. The active electrode of the disclosed supercapacitor adopts electrochromic material, so that during the charging process of the supercapacitor, the color of the active electrode will change with the change of the storage state of the supercapacitor, thereby directly and objectively reflecting the storage state of the supercapacitor.

【技术实现步骤摘要】
超级电容器、能源包、自充电能源包及其制备方法
本专利技术属于绿色新能源领域,更具体地涉及一种超级电容器、能源包、自充电能源包及其制备方法。
技术介绍
随着能源危机与环境污染问题的日趋严峻,人们发展绿色能源收集与储存技术的愿望日趋强烈。相比于传统的电磁式发电机,纳米发电机不受天气和恶劣工作环境的影响,它不仅可以将高频率运动的机械能转化为电能,而且可以用来收集低频率运动的机械能,因此纳米发电机是一种解决绿色能源收集的有效途径;另外,超级电容器由于它超长的循环使用寿命,超高的比电容量和巨大的功率密度等优点而被广泛研究,因此超级电容器也是一种解决绿色能源收集的有效途径。最近,集成了能源收集与储存功能的自充电能源包被专利技术出来以满足便携式设备的使用需求,例如压电驱动的自充电超级电容器单元、一体式可穿戴自充电能源包或自充电能源织物。但是,这些自充电能源包缺少指示储存状态的功能,而在实际使用过程中判断电池是否充满或者电量是否已完全消耗是非常重要的。因此,专利技术一种可以指示电量储存状态的自充电能源包具有重大意义。
技术实现思路
基于以上问题,本公开的主要目的在于提出一种超级电容器、能源包、自充电能源包及其制备方法,用于解决以上技术问题的至少之一。为了实现上述目的,作为本公开的一个方面,本公开提出一种超级电容器,包括:叉指电极集流体,该叉指电极集流体采用透明导电材料;活性电极,覆盖于叉指电极集流体上方,该活性电极采用电致变色材料;以及固态电解质,分布于活性电极上表面。在本公开的一些实施例中,上述电致变色材料包括过渡金属氧化物、导电聚合物或过渡金属氧化物包覆金属材料的纳米复合材料;优选地,过渡金属氧化物包括氧化镍和/或氧化钨;优选地导电聚合物包括聚苯胺和/或聚3,4-乙烯二氧噻吩;。在本公开的一些实施例中,上述电致变色材料为氧化镍包覆银的纳米复合材料。在本公开的一些实施例中,上述叉指电极集流体为平面对称/非对称结构;和/或固体电解质包括聚乙烯醇/氢氧化钾凝胶电解质和/或聚乙烯醇/氢氧化钠凝胶电解质。为了实现上述目的,作为本公开的另一个方面,本公开提出一种能源包,包括多个串联和/或并联的超级电容器,该超级电容器为上述提出的超级电容器,其表面封装包覆有包覆层。在本公开的一些实施例中,上述包覆层的材质包括聚二甲基硅氧烷和/或环氧树脂。为了实现上述目的,作为本公开的又一个方面,本公开提出一种自供能能源包,包括:纳米发电机,用于在机械力作用下产生电能;上述提出的能源包,贴于摩擦纳米发电机表面,用于存储能量;整流器,与能源包和纳米发电机连接,用于将摩擦纳米发电机产生的电能整流后传输至能源包。在本公开的一些实施例中,上述摩擦纳米发电机包括混合式摩擦纳米发电机;该混合式纳米发电机包括由压电纳米发电机和摩擦纳米发电机组成的混合式纳米发电机。在本公开的一些实施例中,上述混合式纳米发电机由共用电极层的压电纳米发电机和摩擦纳米发电机组成,其包括自下而上的:第一电极层、起电层、第二电极层、压电层、第三电极层和衬底层;其中,第一电极层、起电层和第二电极层构成摩擦纳米发电机;第二电极层、压电层、第三电极层和衬底层构成压电纳米发电机;第二电极层与起电层在外界作用下改变接触/分离状态,压电层中的偶极子在外界作用下改变排列状态。在本公开的一些实施例中,上述第一电极层和/或第二电极层的主体材料包括金属材料、多层石墨烯、碳纳米管和/或二维透明导电材料;和/或衬底层的主体材料包括聚对苯二甲酸乙二醇、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚氨基甲酸酯和/或聚酰亚胺;和/或压电层的主体材料为压电材料,该压电材料包括压电聚合物、氧化锌纳米线和/或锆钛酸铅;其中,压电聚合物包括有机铁电材料和/或聚偏氟乙烯及其共聚物;和/或起电层的主体材料包括聚四氟乙烯、聚酰亚胺和/或氟化乙烯丙烯共聚物。为了实现上述目的,本公开还提出一种超级电容器的制备方法,包括:刻蚀透明导电材料形成叉指电极结构,得到叉指电极集流体;在叉指电极集流体表面制备得到电致变色材料的活性电极;滴加固态电解质于活性电极区,完成超级电容器的制备。在本公开的一些实施例中,在上述叉指电极集流体表面制备得到电致变色材料的活性电极包括:叉指电极集流体表面涂覆银纳米线后置于六水合硝酸镍与尿素的混合溶液中,放入反应釜原位生长,在叉指电极集流体表面得到包覆所述银纳米线的氢氧化镍;将表面具有包覆银纳米线的氢氧化镍的叉指电极集流体置于马弗炉中煅烧,在叉指电极集流体表面制备得到氧化镍包覆银纳米线的复合纳米结构的活性电极。为了实现上述目的,本公开还提出一种自供能能源包的制备方法,包括:串并联多个上述提出的超级电容器的制备方法制备得到的超级电容器,得到能源包;将能源包贴于预先制备得到的纳米发电机的表面;整流器连接于能源包的正负电极和纳米发电机的正负电极,完成自供能能源包的制备。在本公开的一些实施例中,上述纳米发电机的制备包括:在形成于基底表面的第三电极层表面旋涂压电聚合物溶液,并高压电晕极化后在基底上表面得到压电层;分别在压电层和PTFE膜上蒸镀第二电极层和第一电极层;将第二电极层/压电层/第三电极层/基底的结构和第一电极层/PTFE膜的结构倒扣后,将两个结构的两端固定为一体,并将基底/第三电极层/压电层/第二电极层结构的中间区域弯曲,以与PTFE膜分离,完成纳米发电机的制备。本公开提出的超级电容器、能源包、自充电能源包及其制备方法,具有以下有益效果:1、超级电容器的活性电极采用电致变色材料,从而在超级电容器的充电过程中,活性电极的颜色会随超级电容器存储状态的改变而发生变化,从而可直接客观的反应出超级电容器的电量存储状态;2、超级电容器的集流体采用平面叉指电极结构,从而缩短了正极与负极之间的距离,从而缩短了储能时离子的扩散距离,因此能够增大超级电容器的电容,使得超级电容器的输出能量大、功率密度高;3、活性电极采用氧化镍包覆银的纳米复合材料,因此能够提高超级电容器活性电极的导电性,增加活性电极材料的比表面积,从而增加超级电容器的比容量;4、将多个超级电容器串并联形成的能源包,可实现可控的电压窗口和充放电时间,以满足小型电子设备的实际使用需求;且在该由多个超级电容器串并联的能源包表面形成包覆层,不仅能够起到固定线路连接的作用,而且能够起到防止固态电解质水分蒸发的作用;5、采用超级电容器的自充电能源包,首次实现了智能化,其利用超级电容器自充电过程中的颜色变化(透光率变化)来指示能源包的储能状态,集自充电与指示充电状态的功能于一体,不仅节约能耗,而且可更为广泛的应用于可穿戴式和便携式电子器件,给能源包的使用带来极大的便利;6、自充电能源包的发电机采用混合式的纳米发电机,能够收集微小的机械能并转换为电能,且其功能不受天气影响,发电过程无污染,从而能够有效的减少环境污染,在一定程度上缓解能源危机,能够解决小型电子产品使用外接提供电源的非持久性及不便利性,减少能耗;7、自充电能源包的制备成本低廉,制备工艺简单,可实现大规模的工业化生产。附图说明图1是本公开一实施例提出的超级电容器的结构示意图。图2是本公开一实施例提出的超级电容器中叉指电极的结构示意图。图3(a)是本公开一实施例中混合式摩擦纳米发电机的组成结构示意图。图3(b)是本公开一实施例中的混合式摩擦纳米发电机的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超级电容器,包括:叉指电极集流体,该叉指电极集流体采用透明导电材料;活性电极,覆盖于所述叉指电极集流体上方,该活性电极采用电致变色材料;以及固态电解质,分布于所述活性电极上表面。

【技术特征摘要】
1.一种超级电容器,包括:叉指电极集流体,该叉指电极集流体采用透明导电材料;活性电极,覆盖于所述叉指电极集流体上方,该活性电极采用电致变色材料;以及固态电解质,分布于所述活性电极上表面。2.根据权利要求1所述的超级电容器,其中:所述电致变色材料包括过渡金属氧化物、导电聚合物或过渡金属氧化物包覆金属材料的纳米复合材料;优选地,所述过渡金属氧化物包括氧化镍和/或氧化钨;优选地,所述导电聚合物包括聚苯胺和/或聚3,4-乙烯二氧噻吩。3.根据权利要求1至2中任一项所述的超级电容器,其中:所述电致变色材料为氧化镍包覆银的纳米复合材料。4.根据权利要求1至3中任一项所述的超级电容器,其中:所述叉指电极集流体为平面对称/非对称结构;和/或所述固态电解质包括聚乙烯醇/氢氧化钾凝胶电解质和/或聚乙烯醇/氢氧化钠凝胶电解质。5.一种能源包,包括多个串联和/或并联的超级电容器,所述超级电容器为权利要求1至4中任一项所述的超级电容器,其表面封装包覆有包覆层。6.根据权利要求5所述的能源包,其中,所述包覆层的材质包括聚二甲基硅氧烷和/或环氧树脂。7.一种自供能能源包,包括:纳米发电机,用于在机械力作用下产生电能;如权利要求5至6中任一项所述的能源包,贴于所述摩擦纳米发电机表面,用于存储能量;整流器,与所述能源包和纳米发电机连接,用于将所述摩擦纳米发电机产生的电能整流后传输至所述能源包。8.根据权利要求7所述的自供能能源包,其中:所述摩擦纳米发电机包括混合式摩擦纳米发电机;所述混合式纳米发电机包括由压电纳米发电机和摩擦纳米发电机组成的混合式纳米发电机。9.根据权利要求8所述的自供能能源包,其中:所述混合式纳米发电机由共用电极层的压电纳米发电机和摩擦纳米发电机组成,其包括自下而上的:第一电极层、起电层、第二电极层、压电层、第三电极层和衬底层;所述第一电极层、起电层和第二电极层构成摩擦纳米发电机;所述第二电极层、压电层、第三电极层和衬底层构成压电纳米发电机;所述第二电极层与所述起电层在外界作用下改变接触/分离状态,所述压电层中的偶极子在外界作用下改变排列状态。10.根据权利要求9所...

【专利技术属性】
技术研发人员:孙其君秦珊珊
申请(专利权)人:北京纳米能源与系统研究所
类型:发明
国别省市:北京,11

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