一种可折叠的纸基微型超级电容器的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种可折叠的纸基微型超级电容器的制备方法，属于微型储能器件技术领域。所述方法是利用模板压印技术将石墨烯或石墨烯复合物电极压印在纸基底上，再在电极上涂覆固态电解质，则在纸基底上制备得到微型超级电容器；该方法将片状的石墨烯或者石墨烯复合物通过模板压印在纸基体上使电极的轮廓清晰且连接性好，利用纸的多孔性和吸水性确保石墨烯或石墨烯复合物电极在纸上的稳定性，利用纸的可折叠和柔性使所制备的微型超级电容器具有良好的柔性和可折叠性，可以实现风能的收集和利用以及不同电压电流的输出；另外，该方法制备过程简单，可操作性强，成本低，可大规模制备。

【技术实现步骤摘要】
一种可折叠的纸基微型超级电容器的制备方法
本专利技术具体涉及一种利用模板压印技术制备可折叠的纸基微型超级电容器的方法，属于微型储能器件

技术介绍
随着近年来电子技术的飞速发展，电子器件逐渐趋于小型化，电子器件的供能越来越受到人们的关注。其中，超级电容器这一储能器件近年来得到了人们广泛的关注和发展。受到电子器件体积的限制，超级电容器逐渐趋于微型化，柔性平面型微型超级电容器格外受到人们的青睐。目前主要采用打印技术以及抽滤工艺制备微型超级电容器。打印技术主要采用氧化石墨烯或其它导电溶液为原料将其打印到纸上，但该方法所制备的超级电容器的电极极易造成断路。而抽滤制备则采用模板作为电极的形状限定，将导电溶液透过模板抽滤到滤纸上，该方法虽看似简单，但在操作中电容器的电极极易互相连接造成短路，且得到的电极边缘极不清晰。此外，其制备的微型超级电容器电流电压的输出形式单一，通常仅能实现一种形式的能量输出，这极大的限制了微型超级电容器的应用。因此，开发一种新型的制备微型超级电容器的方法势在必行。
技术实现思路
为了克服现有微型超级电容器制备过程易断路、电极不清晰以及电流电压输出形式单一等问题，本专利技术提供了一种可折叠的纸基微型超级电容器的制备方法，该方法利用模板压印技术将石墨烯或石墨烯复合物电极压印在纸上，并利用纸的多孔性和吸水性，保证了石墨烯或石墨烯复合物电极在纸上的稳定性，而且所制备的微型超级电容器具有良好的柔性和可折叠性，可实现风能的收集和利用以及不同电压电流的输出；同时，该方法制备过程简单，可操作性强，可大规模制备。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种可折叠的纸基微型超级电容器的制备方法，所述方法包括以下步骤：步骤1.利用化学氧化剥离法制备得到氧化石墨烯溶液，随后向氧化石墨烯溶液中添加无水乙醇，再将二者的混合溶液置于液氮表面进行冷冻，并进行真空冷冻干燥，得到氧化石墨烯泡沫；再在氩气保护气氛下，先将氧化石墨烯泡沫加热至200℃～300℃，保温30min～90min，再继续加热至800℃～1100℃，保温1h～3h，得到还原氧化石墨烯泡沫；氧化石墨烯的浓度为6mg/mL～8mg/mL；氧化石墨烯溶液的体积与无水乙醇的体积比为30:0.5～2；升温速率为3℃/min～7℃/min；步骤2.利用激光刻蚀制备基于叉指结构的电极图案的金属模板；金属模板的材质为铝箔、铜箔或者不锈钢，金属模板的厚度为15μm～25μm，金属模板中基于叉指结构的电极图案的个数为1个以上，基于叉指结构的电极图案是由两个叉指电极交叉排列形成的，每个叉指电极的叉指个数为3～6个，每个叉指宽度为300μm～700μm，每个叉指长度为3mm～4mm，基于叉指结构的电极图案中相邻两个叉指间隔宽度为300μm～700μm；步骤3.将金属模板置于纸上，再将还原氧化石墨烯泡沫置于金属模板上并完全覆盖金属模板上基于叉指结构的电极图案，对还原氧化石墨烯泡沫施加20MPa～30MPa的压力，并保压3min～10min，去除金属模板，在纸上得到基于叉指结构的石墨烯电极；纸为打印纸、手写纸、宣纸或硬质纤维素纸板；将步骤2所制备的还原氧化石墨烯泡沫切成厚度为1mm～2mm的片状，再用于步骤3中；步骤4.将固态电解质溶液滴涂到基于叉指结构的石墨烯电极上，并在30℃～40℃下固化2h～5h，得到一个以上可折叠的纸基微型超级电容器；所述固态电解质溶液为聚乙烯醇、浓硫酸与水的混合溶液(聚乙烯醇、浓硫酸以及水的质量比为1:1:10)，或聚乙烯醇、氯化锂与水的混合溶液(聚乙烯醇、氯化锂以及水的质量比12:5:120)。进一步地，以银/氯化银电极作为参比电极，铂丝作为对电极，与铂片接触的还原氧化石墨烯泡沫作为工作电极，且铂片处于电解液液面之上，在0.8V电压下沉积1h～3h，得到聚合物/还原氧化石墨烯泡沫；将步骤3中的还原氧化石墨烯替换为聚合物/还原氧化石墨烯泡沫，其他条件不变，在纸上得到基于叉指结构的石墨烯复合物电极；将固态电解质溶液滴涂到基于叉指结构的石墨烯复合物电极上，并在30℃～40℃下固化2h～5h，得到一个以上可折叠的纸基微型超级电容器。所述电解液是高氯酸钠与吡咯或者高氯酸钠与苯胺的混合溶液；其中，高氯酸钠在电解液中的浓度为0.2mol/L～0.4mol/L，吡咯或苯胺在电解液中的浓度为2mL/mL～6mL/mL。所述微型超级电容器的个数为两个以上时，在同一列的任意两个相邻的所述微型超级电容器之间的纸上加工一个通孔，再用铜箔将同一列的相邻两个所述微型超级电容器连接，并用导电银胶将铜箔固定，通过不同的折叠方式得到不同的电路；或者，在同一排的任意两个相邻的所述微型超级电容器之间的纸上加工一个通孔，再用铜箔将同一排的相邻两个所述微型超级电容器连接，并用导电银胶将铜箔固定，通过不同的折叠方式得到不同的电路。有益效果：(1)本专利技术所述微型超级电容器的电极材料是高度还原的三维结构的石墨烯，它具有很高的导电性，同时在固态电解质中可以保证电解质离子具有良好的迁移速率，为所述微型超级电容器提供了极大的双电层电容；此外，将聚吡咯或聚苯胺与高度还原的石墨烯复合，增强了复合电极的赝电容，从而进一步提高所述微型超级电容器的电容性能。(2)本专利技术中利用激光刻蚀的薄层金属作为模板，将片状的石墨烯或石墨烯复合物通过物理加压的方法压印在纸基底上，保证了基于叉指结构的石墨烯或石墨烯复合物电极的轮廓清晰且连接性好；同时，利用纸的多孔性和吸水性，确保了基于叉指结构的石墨烯或石墨烯复合物电极在纸基底上的稳定性；另外，采用纸作为基底，能够极大的利用纸的可折叠和柔性的特点，从而使所制备的微型超级电容器具有良好的柔性和可折叠性，可实现风能的收集、利用和不同功率的输出，为未来微型储能器件的发展提供了广阔的应用前景。(3)本专利技术所述方法操作简单，重复性好，而且制备过程中不容易出现断路情况，成本低，可大规模制备。附图说明图1为实施例1中激光刻蚀得到的基于叉指结构的电极图案的铝模板结构示意图。图2为实施例1中制备基于叉指结构的石墨烯复合物电极的过程示意图。图3为实施例1中制备的基于叉指结构的石墨烯复合物电极的结构示意图。图4为实施例1中基于叉指结构的石墨烯复合物电极的平面扫描电子显微镜(SEM)图。图5为实施例1中基于叉指结构的石墨烯复合物电极的截面扫描电子显微镜图。图6为实施例1中基于叉指结构的石墨烯复合物电极、实施例1中还原氧化石墨烯泡沫以及聚吡咯的拉曼图谱对比图。图7为实施例1制备的单个可折叠的纸基微型超级电容器以及实施例2制备的单个可折叠的纸基微型超级电容器的充放电曲线图。图8为实施例1制备的单个可折叠的纸基微型超级电容器以及三个串联后的可折叠的纸基微型超级电容器的充放电曲线图。图9为实施例1制备的3×3可折叠的纸基微型超级电容器通过不同的折叠方式得到的三种电路图。图10为实施例1制备的可折叠的纸基微型超级电容器、导电滑环以及发电机组装的风能收集装置的结构示意图。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术作进一步的阐述。除非特别说明，本专利技术中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，本专利技术包括但不限于以下实施例，凡是在本专利技术的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可折叠的纸基微型超级电容器的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，步骤1.利用化学氧化剥离法制备得到氧化石墨烯溶液；向氧化石墨烯溶液中添加无水乙醇，并将二者的混合溶液置于液氮表面进行冷冻，再进行真空冷冻干燥，得到氧化石墨烯泡沫；再在氩气保护气氛下，先将氧化石墨烯泡沫加热至200℃～300℃，保温30min～90min，再继续加热至800℃～1100℃，保温1h～3h，得到还原氧化石墨烯泡沫；步骤2.利用激光刻蚀制备基于叉指结构的电极图案的金属模板；步骤3.将金属模板置于纸上，再将还原氧化石墨烯泡沫置于金属模板上并完全覆盖金属模板上基于叉指结构的电极图案，对还原氧化石墨烯泡沫施加20MPa～30MPa的压力，并保压3min～10min，去除金属模板，在纸上得到基于叉指结构的石墨烯电极；步骤4.将固态电解质溶液滴涂到基于叉指结构的石墨烯电极上，并在30℃～40℃下固化2h～5h，得到可折叠的纸基微型超级电容器；其中，所述固态电解质溶液为聚乙烯醇、浓硫酸与水的混合溶液或聚乙烯醇、氯化锂与水的混合溶液。

【技术特征摘要】
1.一种可折叠的纸基微型超级电容器的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，步骤1.利用化学氧化剥离法制备得到氧化石墨烯溶液；向氧化石墨烯溶液中添加无水乙醇，并将二者的混合溶液置于液氮表面进行冷冻，再进行真空冷冻干燥，得到氧化石墨烯泡沫；再在氩气保护气氛下，先将氧化石墨烯泡沫加热至200℃～300℃，保温30min～90min，再继续加热至800℃～1100℃，保温1h～3h，得到还原氧化石墨烯泡沫；步骤2.利用激光刻蚀制备基于叉指结构的电极图案的金属模板；步骤3.将金属模板置于纸上，再将还原氧化石墨烯泡沫置于金属模板上并完全覆盖金属模板上基于叉指结构的电极图案，对还原氧化石墨烯泡沫施加20MPa～30MPa的压力，并保压3min～10min，去除金属模板，在纸上得到基于叉指结构的石墨烯电极；步骤4.将固态电解质溶液滴涂到基于叉指结构的石墨烯电极上，并在30℃～40℃下固化2h～5h，得到可折叠的纸基微型超级电容器；其中，所述固态电解质溶液为聚乙烯醇、浓硫酸与水的混合溶液或聚乙烯醇、氯化锂与水的混合溶液。2.根据权利要求1所述的一种可折叠的纸基微型超级电容器的制备方法，其特征在于：所述方法还包括在还原氧化石墨烯泡沫上沉积聚合物的步骤，即：以银/氯化银电极作为参比电极，铂丝作为对电极，与铂片接触的还原氧化石墨烯泡沫作为工作电极，且铂片处于电解液液面之上，在0.8V电压下沉积1h～3h，得到聚合物/还原氧化石墨烯泡沫；将步骤3中的还原氧化石墨烯替换为聚合物/还原氧化石墨烯泡沫，其他条件不变，得到可折叠的纸基微型超级电容器；其中，所述电解液是高氯酸钠与吡咯或者高氯酸钠与苯胺的混合溶液，高氯酸钠在电解液中的浓度为0.2mol/L～0.4mol/L，吡咯或苯胺在电解液中的浓度为2mL/mL～6mL/mL。3.根据权利要求1或2所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲良体，高畅，赵扬，高健，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11