一种线状的具有光探性能的柔性超级电容器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种线状的柔性非对称超级电容器及制作方法。所述电容器包括非对称电容器的正极材料、负极材料和电解质，其中正极材料生长在线状导电基底，负极材料涂覆在纤维后均匀缠绕在线状导电基底。所述制作方法包括：用水热法在镍丝或钛丝上生长四氧化三钴纳米线阵列用作正极，涂覆在碳纤维上的石墨烯用作负极，用PVA-KOH溶胶作为电解质；将正负电极在PVA-KOH溶胶中浸渍五分钟；将涂有石墨烯的碳纤维缠绕在生长有四氧化三钴的镍丝或钛丝上；在空气中自然干燥，去除电解质中的水分，完成电容器的制备。本发明专利技术制备的线状柔性非对称超级电容器电压范围由原来的0.0-0.5V提高到0.0-1.5V，其所储存的能量提高了1860％倍。

【技术实现步骤摘要】
一种线状的具有光探性能的柔性超级电容器及制备方法
本专利技术属于能源器件与光探测相结合的领域，具体涉及一种线状的具有光探性能的柔性超级电容器及制备方法。
技术介绍
随着柔性电子的发展，柔性的电子器件已经成为各大公司相互竞争的市场热点。在2013年8月份，柔性技术已被外媒评选为2013年全球十大科技进展之一，并且在10月份，LG公司先后宣布已经成功量产柔性显示屏和可弯曲的锂离子电池，由此可见柔性电子产品的时代距我们的生活越来越近。与此同时，伴随着市场对电子产品微型化、集成化越来越明显的需求，电子器件集成的研究得到了越来越多的关注。到目前为止，很多种可以实现多种功能的集成器件都得到了很好的发展，如自充电的锂离子电池、自充电的超级电容器、自驱动的压力传感器和智能变色窗等等。但这些基本上都是平面状的结构，体积较大，不符合集成器件微型化、柔性化的发展道路。相比较而言，线状的结构具有体积小、弯曲性能优越等优点，发展线状的柔性集成器件对电子产品柔性、集成的市场化应用有很重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种线状的非对称超级电容器。其目的在于提高超级电容器的工作电压、体积比能量，解决目前电容器比能量低的问题。本专利技术的第二目的在于提供一种柔性的具有光探性能的柔性超级电容器。采用石墨烯作为非对称超级电容器的负极，同时利用石墨烯作为光探的敏感材料，通过检测电容器漏电流在光照前后的变化，来反映光信号，使得非对称超级电容器具有光探测器的性能。根据本专利技术的一方面，其提供了一种线状的柔性非对称超级电容器，其包括非对称电容器的正极材料、负极材料和电解质，其中正极材料生长在线状导电基底，负极材料涂覆在纤维后均匀缠绕在线状导电基底。其中，所述导电基底为镍丝、钛丝或碳纤维，所述正极材料为具有电容性能的半导体材料，所述负极材料为同时具有电容性能和光探性能的材料。其中，所述正极材料为四氧化三钴、二氧化锰、氧化镍或钴酸镍。其中，所述负极材料为石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维或碳纳米颗粒。其中，所述负极材料可以作为可见光到红外光的光敏材料，在光照下，通过检测电容器的漏电流的变化进行光探测。根据本专利技术另一方面，其提供了一种线状的具有光探性能的超级电容器的制备方法，其包括：步骤1、用水热法在镍丝或钛丝上生长四氧化三钴纳米线阵列用作正极，涂覆在碳纤维上的石墨烯用作负极，用PVA-KOH溶胶作为电解质；步骤2、将正负电极在PVA-KOH溶胶中浸渍五分钟；步骤3、然后将涂有石墨烯的碳纤维缠绕在生长有四氧化三钴的镍丝或钛丝上；步骤4、在空气中自然干燥，去除电解质中的水分，完成电容器的制备。其中，步骤1中四氧化三钴纳米线阵列如下制作：步骤101、加5mmol六水氯化钴和20mmol脲素溶解在50mL的去离子水中；步骤102、取40mL上述溶液加入50mL的高压釜中；步骤103、镍丝或钛丝先后在去离子水、酒精、丙酮中清洗15分钟；步骤104、将清洗好的镍丝放入上述高压釜中；步骤105、在95℃反应4小时，取出后用去离子水清洗，并干燥；步骤106、将干燥后的样品，在300℃退火80分钟，冷却至室温即可。其中，通过下述方法涂覆石墨烯：将10mg的石墨烯溶于20mLN-甲基吡咯烷酮溶液中，超声分散3小时；然后将准备好的碳纤维浸渍在上述溶液中30分钟，取出后在80℃干燥12小时。其中，所述超级电容器具有储存能量和光探测的功能。本专利技术具有如下有益效果：a.针对目前对称性超级电容器电压窗口比较低的缺点，我们构建了基于四氧化三钴和石墨烯的非对称超级电容器，使得电容器的电压窗口由原来的0.0-0.5V提高到0.0-1.5V(见图6)。b.很大的提高了超级电容器的能量密度。与基于四氧化三钴的对称性超级电容器相比，其所储存的能量提高了1860％倍。c.这种非对称的线状电容器体积小、柔性好、结构简单，对正在发展的可编织的柔性电子器件的发展提供了相应的能量供应。d.这种非对称的超级电容器具有光探测器的功能，在存储能量的同时，实现了对可见光的探测，这对储能器件与其它器件集成实现具有多功能的电子器件的研究有重要帮助。e.这种线状的具有光探功能的非对称超级电容器在作为光探测器时，同样具有很好的弯曲性能，在弯曲状态下同样对可见光具有稳定的探测性能。这对柔性集成器件的研发具有很好的启发性。另外，本专利技术采用水热法在镍丝(或钛丝)上直接生长四氧化三钴，与传统的电极制备方法相比，这种直接生长在导电衬底上的结构不需要添加粘结剂，可以有效的增加活性物质与集电极之间的电子传输。并且纳米线阵列的结构可以增大活性物质与电解质的接触面积，使得活性物质可以充分的与电解质反应，对提高超级电容器的性能有很大帮助。附图说明图1是本专利技术中线状的具有光探性能的超级电容器的结构图；图2是低倍下拍摄的生长在镍丝上的四氧化三钴的扫描电子显微镜图；图3为1500倍放大条件下四氧化三钴纳米线阵列的扫描电子显微镜图；图4为涂覆在碳纤维上的石墨烯的扫描电子显微镜图；图5为利用本专利技术制作的线状非对称超级电容器的真实图片；图6为本专利技术中非对称电容器的循环伏安测试结果。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。图1示出了本专利技术公开的一种线状的具有光探性能的超级电容器的结构图。如图1所示，其包括非对称电容器的正极材料、负极材料和电解质。所述超级电容器为线状的柔性器件，可以弯曲。其中，正极材料生长在线状导电基底上，而负极材料均匀缠绕在所述线状导电基底上。其线状的导电基底可以是镍丝、钛丝、碳纤维等等。其正极材料可以采用四氧化三钴，同时也可以是其他具有电容性能的半导体材料，如二氧化锰、氧化镍、钴酸镍等等。负极材料可以是石墨烯，也可以是其他同时具有电容性能和光探性能的材料，如碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米颗粒等等。所述负极材料可作为光敏材料，通过检测在光照下非对称电容器的漏电流来达到光探的目的。本专利技术提出的超级电容器为非对称超级电容器，具有线状结构，并且在储存能量的同时，还可以具有光探测器件的功能，可以实现对可见光的探测。本专利技术还提出了一种线状的具有光探性能的超级电容器的制备方法。具体包括：步骤1、用水热法在镍丝(或钛丝)上生长四氧化三钴纳米线阵列(见图2和图3)用作正极，涂覆在碳纤维上的石墨烯(见图4)用作负极，用PVA-KOH溶胶作为电解质。步骤2、将正负电极在PVA-KOH溶胶中浸渍五分钟；步骤3、然后用镊子将涂有石墨烯的碳纤维缠绕在生长有四氧化三钴的镍丝(或钛丝)上。步骤4、在空气中自然干燥，去除电解质中的水分，以备测试。如图2和图3所示，镍丝上均匀生长了一层长度在1-2微米的四氧化三钴纳米线阵列。制作完成的柔性非对称超级电容器的真实图片如图5所示。下面根据具体实例说明上述各个步骤的制作过程：本专利技术中四氧化三钴纳米线阵列的制备步骤如下：步骤1、加5mmol六水氯化钴和20mmol脲素溶解在50mL的去离子水中；步骤2、取40mL上述溶液加入50mL的高压釜中；步骤3、镍丝先后在去离子水、酒精、丙酮中清洗15分钟；步骤4、将清洗好的镍丝放入上述高压釜中。步骤5、在95℃反应4小时，取出后用去离子水清洗，并干燥。步骤6、将干燥后的样品，在300℃退火80分钟，冷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种线状的柔性非对称超级电容器，其包括非对称电容器的正极材料、负极材料和电解质，其中正极材料生长在线状导电基底，负极材料涂覆在纤维后均匀缠绕在线状导电基底。

【技术特征摘要】
1.一种线状的具有光探性能的超级电容器的制备方法，其包括：步骤1、用水热法在镍丝或钛丝上生长四氧化三钴纳米线阵列用作正极，涂覆在碳纤维上的石墨烯用作负极，用PVA-KOH溶胶作为电解质；步骤2、将正负电极在PVA-KOH溶胶中浸渍五分钟；步骤3、然后将涂有石墨烯的碳纤维缠绕在生长有四氧化三钴的镍丝或钛丝上；步骤4、在空气中自然干燥，去除电解质中的水分，完成电容器的制备。2.如权利要求1所述的方法，其中步骤1中四氧化三钴纳米线阵列如下制作：步骤101、加5mmol六水氯化钴和20mmol脲素溶解在50mL的去离子水中；步骤102、取40mL上述溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈国震，王显福，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：