导电聚吡咯水凝胶电极材料、其制备方法及可拉伸超级电容器技术

技术编号:21896168 阅读:23 留言:0更新日期:2019-08-17 16:13
本发明专利技术将有机化合物聚合形成的刚性的导电材料与水溶性高分子的柔性高分子链进行物理交联,形成具有三维网状的高分子结构,从而得到具有较高电导率和较优机械性能的导电聚吡咯水凝胶电极材料。将本发明专利技术制备得到的导电聚吡咯水凝胶电极材料用于制备超级电容器的电极,得到的可拉伸超级电容器具有较高的能量密度和功率密度,比电容较高,循环性能和可拉伸性能较优。另外,本发明专利技术公开的导电聚吡咯水凝胶电极材料的制备方法不需要繁琐的工艺流程,不需要柔性基底作辅助,原材料廉价易得,制备方法简单易行,适合大规模工业生产。

Conductive polypyrrole hydrogel electrode material, preparation method and stretchable supercapacitor

【技术实现步骤摘要】
导电聚吡咯水凝胶电极材料、其制备方法及可拉伸超级电容器
本专利技术涉及超级电容器
,尤其涉及一种导电聚吡咯水凝胶电极材料、其制备方法及可拉伸超级电容器。
技术介绍
可穿戴、可折叠、柔性、便携式的智能设备是当今电子产品的主流发展方向,开发能为之提供能量的轻、薄、柔性的高性能储能器件成为当前学术界和产业界的研究热点。柔性超级电容器作为一种具有较高功率密度和中等能量密度、较长循环寿命及较优安全性能等特点的供能设备,成为了首选的高性能储能器件。适用于电容器的电极材料主要有金属氧化物、碳材料和导电聚合物这三类。作为电极,金属氧化物是与导电剂及粘结剂一起涂覆在集流体上,弯曲时会导致活性物质与集流器的脱离;一些新型的碳材料(如碳纳米管,石墨烯等)以及导电聚合物可以形成自支撑成膜,但由于其分子结构是刚性的,也不能承受较大的形变,不能实现可拉伸。为了实现电容器的可拉伸性,一般采取的措施是通过模板合成或者微纳加工等方法制备一些具有特殊微观结构的电容器电极,再辅助以聚二甲基硅氧烷(PDMS),聚对苯二甲酸乙二酯(PET),聚酰亚胺(PI)等柔性衬底以承受形变,具体的,制备可拉伸超级电容器的方法分为两类。一类是基于可弯曲的电活性材料,将其设计为特定的结构,如波浪状膜或者螺旋盘绕纤维。可弯曲的电活性材料主要是碳材料,包括碳纳米管、石墨烯等,制备方法涉及模板的制备、移除等,且因电极材料限制,得到的电容器的电容量普遍不高。例如:X.Li等(参见:NanoLetters,2012,12,6366-6371)报道了将单臂碳纳米管化学沉积在拉伸状态下的聚二甲基硅氧烷(PDMS)上,沉积完成后释放PDMS,获得波浪状电极材料,以其为电极材料制备超级电容器,所得超级电容器可承受31.5%的应变,可达到的最大比电容只有3.47mF·cm-2,缺乏实用价值。Y.Shang等(参见:NanoEnergy,2015,12,401-409)报道了将碳纳米管边纺丝边螺旋缠绕成股,制备好的螺旋盘绕的纤维上再电化学沉积一层聚吡咯,两股蘸上电解液缠绕得超级电容器,该电容器可在径向应变达150%,但最大的比电容只有63.6F/g。另一类是在柔性基底上用可拉伸的导线连接不可拉伸的储能组元,形成互连岛的组装结构。相互连接的岛状结构需要采用微纳加工技术,主要的难点在于微纳加工技术、器件的固定和封装,以及连接导线的设计。该方法技术复杂,成本高昂。例如:D.Kim等(参见:ACSNano,2013,7,7975-7982)报道了采用微纳加工技术用弯曲的Ti/Au导线连接每个以单臂碳纳米管为电极的微型电容器,用聚酰亚胺封装。制备的电容器可承受30%的应变,能达到的最大比电容是55.3F/g。显然,上述方法制备过程繁琐,成本高,并且制得的超级电容器在受应力时可能发生衬底与活性物质的分离,破坏电化学性质,因此,可承受的形变有限。同时,现有文献报导的可拉伸超级电容器往往只追求可拉伸性质,其能量密度和功率密度都很低,比电容值不高,电化学性能较差,缺乏实用价值。
技术实现思路
有鉴于此,本专利技术要解决的技术问题在于提供一种导电聚吡咯水凝胶电极材料、其制备方法及可拉伸超级电容器,本专利技术提供的导电聚吡咯水凝胶电极材料制备的可拉伸超级电容器比电容较高,循环性能较优,且具有优良的可拉伸性,同时,本专利技术公开的导电聚吡咯水凝胶电极材料的制备方法简单易行。本专利技术提供了一种导电聚吡咯水凝胶电极材料的制备方法,包括:A)将水溶性高分子的水溶液、去离子水和表面活性剂混合,得到第一溶液;所述水溶性高分子具有柔性的高分子链;B)将有机化合物与第一溶液混合,得到第二溶液;所述有机化合物选自吡咯及其衍生物中的一种或几种;C)将氧化剂的水溶液与第二溶液混合,进行聚合反应,得到导电聚吡咯水凝胶电极材料。优选的,所述水溶性高分子选自聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖和海藻酸钠中的一种;所述水溶性高分子的水溶液的质量分数为1~15%。优选的,所述表面活性剂选自十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠;所述吡咯及其衍生物选自吡咯、N-甲基吡咯和3-甲基吡咯中的一种或几种;所述氧化剂选自过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾、六水合三氯化铁、双氧水和过氧化叔丁醇中的一种。优选的,所述水溶性高分子的水溶液、去离子水和表面活性剂的质量比为1.5:0.5:0.0576~0.2304;所述有机化合物与所述表面活性剂的摩尔比为0.5~2.5:0.2~0.4;所述氧化剂与所述有机化合物的摩尔比为0.5~2.5:1。优选的,步骤A)中,所述混合在加热的条件下进行;所述加热的温度为40~90℃。优选的,步骤C)中,将氧化剂的水溶液与第二溶液混合之前,还包括:将氧化剂的水溶液和第二溶液置于冰水浴中10~30min;所述冰水浴的温度为5℃以下。优选的,步骤C)中,所述聚合反应的温度为5~40℃;所述聚合反应的时间为8~10h。优选的,所述聚合反应后,还包括:将所述聚合反应得到的产物浸泡在蒸馏水中进行洗涤。本专利技术提供了一种导电聚吡咯水凝胶电极材料,按照上文所述的制备方法制得。本专利技术还提供了一种可拉伸超级电容器,包括两个电极和两个电极之间的介电材料,所述电极包括上文所述的导电聚吡咯水凝胶电极材料。本专利技术提供了一种导电聚吡咯水凝胶电极材料的制备方法,包括:A)将水溶性高分子的水溶液、去离子水和表面活性剂混合,得到第一溶液;所述水溶性高分子具有柔性的高分子链;B)将有机化合物与第一溶液混合,得到第二溶液;所述有机化合物选自吡咯及其衍生物中的一种或几种;C)将氧化剂的水溶液与第二溶液混合,进行聚合反应,得到导电聚吡咯水凝胶电极材料。本专利技术公开的导电聚吡咯水凝胶电极材料的制备方法中,将有机化合物聚合形成的刚性的导电材料与水溶性高分子的柔性高分子链进行物理交联,形成具有三维网状的高分子结构,从而得到具有较高电导率和较优机械性能的导电聚吡咯水凝胶电极材料。本专利技术在制备方法中还采用了表面活性剂,表面活性剂一方面可以帮助吡咯及其衍生物在水溶液中溶解并决定了多孔性微观形貌的形成,另一方面可以提高聚吡咯水凝胶产物的化学稳定性,对于提高导电聚吡咯水凝胶电极材料的电化学性能有促进作用。将本专利技术制备得到的导电聚吡咯水凝胶电极材料用于制备超级电容器的电极,得到的可拉伸超级电容器具有较高的能量密度和功率密度,比电容较高,循环性能和可拉伸性能较优。另外,本专利技术公开的导电聚吡咯水凝胶电极材料的制备方法不需要繁琐的工艺流程,不需要柔性基底作辅助,原材料廉价易得,制备方法简单易行,适合大规模工业生产。实验结果表明,本专利技术提供的导电聚吡咯水凝胶电极材料制备的可拉伸超级电容器最高可承受100%的应变,比电容值可达到318F/g,比现有的柔性超级电容器的比电容值高出5~10倍。在电流密度为6.4mA/cm2下,循环1000次后,可拉伸超级电容器的容量保持率不低于75%。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的导电聚吡咯水凝胶电极材料在倍率为20μm下的SEM图;图2为本专利技术实施例1制备的导电聚吡咯水凝胶电极材料在倍率为2μm下的SEM图;图3为本专利技术实施例1制备的导电聚吡咯水凝胶电极材料的拉伸曲线图;图4为本专利技术实施例1制备的可拉伸超级电容器的循环伏安曲线图;图本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种导电聚吡咯水凝胶电极材料的制备方法,包括:A)将水溶性高分子的水溶液、去离子水和表面活性剂混合,得到第一溶液;所述水溶性高分子具有柔性的高分子链;B)将有机化合物与第一溶液混合,得到第二溶液;所述有机化合物选自吡咯及其衍生物中的一种或几种;C)将氧化剂的水溶液与第二溶液混合,进行聚合反应,得到导电聚吡咯水凝胶电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种导电聚吡咯水凝胶电极材料的制备方法,包括:A)将水溶性高分子的水溶液、去离子水和表面活性剂混合,得到第一溶液;所述水溶性高分子具有柔性的高分子链;B)将有机化合物与第一溶液混合,得到第二溶液;所述有机化合物选自吡咯及其衍生物中的一种或几种;C)将氧化剂的水溶液与第二溶液混合,进行聚合反应,得到导电聚吡咯水凝胶电极材料。2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述水溶性高分子选自聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖和海藻酸钠中的一种;所述水溶性高分子的水溶液的质量分数为1~15%。3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述表面活性剂选自十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠;所述吡咯及其衍生物选自吡咯、N-甲基吡咯和3-甲基吡咯中的一种或几种;所述氧化剂选自过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾、六水合三氯化铁、双氧水和过氧化叔丁醇中的一种。4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述水溶性高分子的水溶液、去离子水和表面活性剂的质量比为1.5:0.5...

【专利技术属性】
技术研发人员:马明明陈芳
申请(专利权)人:中国科学技术大学
类型:发明
国别省市:安徽,34

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