三元复合柔性电极、柔性超级电容器及它们的制备方法和装置制造方法及图纸

本申请涉及三元复合柔性电极、柔性超级电容器及它们的制备方法和装置。所述三元复合柔性电极当在柔性基底的正反两面上均形成碳材料/导电聚合物/金属(氢)氧化物三元复合电极材料时，所得三元复合柔性电极结构本身即可为柔性超级电容器结构，所形成的正反两面上的三元复合电极材料可构成电容器的正负两极，中间的柔性基底可作为电容器隔膜。还提供了三元复合电极和柔性超级电容器生产方法及集成卷对卷制程技术于该方法的自动化生产设备。

【技术实现步骤摘要】
三元复合柔性电极、柔性超级电容器及它们的制备方法和装置
本申请属于电极材料与新能源领域。具体而言，本申请涉及三元复合柔性电极、柔性超级电容器及它们的制备方法和装置。
技术介绍
近年来，在电子设备小型化的浪潮中，小型便携式电子设备，尤其是智能可穿戴式设备，如雨后春笋般出现在市场上。电子设备的小型化和功能多元化必然对可集成便携式供能器件提出了新的要求，即：在具有良好性能的前提下，供能器件必须同步地实现紧凑化及主要结构柔性化。目前，主流的电化学供能器件为锂离子电池。相较于小型化电子设备的耗电速率，以锂离子电池为供能器件的电子设备续航时间有限。同时，该种电池充放电循环寿命普遍不长，安全性较差，且无法胜任大功率使用场景，同时不可机械变形。而超级电容器作为一种基于双电层电容或者法拉第赝电容原理的储能器件，其循环寿命超过传统锂离子电池的10倍，具有10倍甚至100倍于传统锂离子电池的快速充放电能力，且高度兼容柔性基底。超级电容器的电极材料通常涉及碳材料、导电聚合物及金属(氢)氧化物。碳材料的循环稳定性及倍率性能优异，但比电容偏低，导致其能量密度低下；相反，导电聚合物及金属(氢)氧化物的比电容及能量密度高，然而其稳定性与大功率放电的倍率性能较差。现有的大多数商用超级电容器仅采用以上一种电极材料，因而仍无法满足各行业对可集成便携式供能器件的要求。因此，开发高性能的复合电极材料和设计新型电极结构显得尤为重要。
技术实现思路
一方面，本申请提供三元复合柔性电极，其包含：柔性基底，以及所述基底上的碳材料/导电聚合物/金属氧化物或氢氧化物三元复合电极材料；其中所述导电聚合物、金属氧化物和金属氢氧化物均具有赝电容特性。在一些实施方案中，所述三元复合柔性电极中的所述柔性基底的两个表面上均具有碳材料/导电聚合物/金属氧化物或氢氧化物三元复合电极材料。在一些实施方案中，所述三元复合柔性电极中的所述三元复合为涂布碳材料、电沉积导电聚合物以及电沉积金属氧化物或氢氧化物从而分层制备多层复合材料薄膜。另一方面，本申请提供包含上述三元复合柔性电极的柔性超级电容器。在一些实施方案中，本申请提供这样的柔性超级电容器，其包含：作为隔膜的柔性基底，以及分别形成于所述柔性基底的正反两个表面上的碳材料/导电聚合物/金属氧化物或氢氧化物三元复合正极以及碳材料/导电聚合物/金属氧化物或氢氧化物三元复合负极。在一些实施方案中，上述柔性超级电容器中的三元复合为涂布碳材料、电沉积导电聚合物以及电沉积金属氧化物或氢氧化物从而分层制备多层复合材料薄膜。再一方面，本申请还提供制备三元复合柔性电极的方法，其包括：使用碳材料给体在柔性基底上进行涂布，得到一元碳材料柔性电极；在所述一元碳材料柔性电极表面电沉积导电聚合物，得到碳材料/导电聚合物二元复合柔性电极；以及在所述二元复合柔性电极上电沉积金属氧化物或氢氧化物，得到碳材料/导电聚合物/金属氧化物或氢氧化物三元复合柔性电极；其中所述导电聚合物、金属氧化物和金属氢氧化物均具有赝电容特性。在一些实施方案中，所述制备三元复合柔性电极的方法还包括清洗并收集制得的三元复合柔性电极的步骤。在一些实施方案中，所述制备三元复合柔性电极的方法包括在所述柔性基底的正反两个表面上均进行碳材料的涂布、导电聚合物的电沉积及金属氧化物或氢氧化物的电沉积。在一些实施方案中，所述制备三元复合柔性电极的方法为连续式的制备方法，其进一步包括：在所述碳材料涂布完成后，传送所述一元碳材料柔性电极至导电聚合物电沉积装置；以及在所述导电聚合物的电沉积完成后，连续传送所述二元复合柔性电极至金属氧化物或氢氧化物电沉积装置。在优选的实施方案中，所述制备三元复合柔性电极的方法基于卷对卷制程技术进行。在一些实施方案中，在所述制备三元复合柔性电极的方法中所述碳材料给体为碳材料印刷装置或装载有包含至少一种碳材料的浆料的喷射装置；其中所述碳材料印刷装置优选为炭笔，并且所述炭笔优选为硬度为8B至12B且含有石墨成分的炭笔；喷射装置优选为喷头、喷嘴或注射器。在一些实施方案中，在所述制备三元复合柔性电极中采用双电极体系电沉积导电聚合物以及金属氧化物和金属氢氧化物。另一方面，本申请还提供根据前述制备三元复合柔性电极的方法制得的三元复合柔性电极及包含所制得的三元复合柔性电极的柔性超级电容器。又一方面，本申请还提供制备柔性超级电容器的方法，所述方法包括：使用碳材料给体在作为隔膜的柔性基底上进行双面涂布，得到一元碳材料柔性电极；在所述一元碳材料柔性电极双面上电沉积导电聚合物，得到碳材料/导电聚合物二元复合柔性电极；以及在所述二元复合柔性电极双面上电沉积金属氧化物或氢氧化物，以在柔性基底的正反两个表面上分别形成碳材料/导电聚合物/金属氧化物或氢氧化物三元复合正极以及碳材料/导电聚合物/金属氧化物或氢氧化物三元复合负极，得到柔性超级电容器；其中所述导电聚合物、金属氧化物和金属氢氧化物均具有赝电容特性。在一些实施方案中，所述制备柔性超级电容器的方法还包括清洗并收集制得的柔性超级电容器的步骤。在一些实施方案中，所述制备柔性超级电容器的方法为连续式的制备方法，其进一步包括：在所述碳材料涂布完成后，传送所述一元碳材料柔性电极至导电聚合物电沉积装置；以及在所述导电聚合物的沉积完成后，连续传送所述二元复合柔性电极至金属氧化物或氢氧化物电沉积装置。在优选的实施方案中，所述制备柔性超级电容器的方法基于卷对卷制程技术进行。在一些实施方案中，在所述制备柔性超级电容器的方法中所述碳材料给体为碳材料印刷装置或装载有包含至少一种碳材料的浆料的喷射装置；其中所述碳材料印刷装置优选为炭笔，并且所述炭笔优选为硬度为8B至12B且含有石墨成分的炭笔；喷射装置优选为喷头、喷嘴或注射器。在一些实施方案中，在所述制备柔性超级电容器的方法中采用双电极体系电沉积导电聚合物以及金属氧化物和金属氢氧化物。另一方面，本申请还提供根据前述制备柔性超级电容器的方法制得的柔性超级电容器。再一方面，本申请提供用于连续式生产三元复合电极或超级电容器的设备，其包含：碳材料涂布装置、传送装置、驱动装置、导电聚合物电沉积装置以及金属氧化物或氢氧化物电沉积装置；其中所述传送装置将基底依次传送至所述碳材料涂布装置、所述导电聚合物电沉积装置以及所述金属氧化物或氢氧化物电沉积装置以进行三元复合材料薄膜的分层制备。在一些实施方案中，所述设备还包含清洗装置。在优选的实施方案中，所述设备基于卷对卷制程技术进行生产。在一些实施方案中，所述设备中的碳材料涂布装置优选为压力可调碳材料涂布装置。在一些实施方案中，所述设备中的碳材料涂布装置是连续可重复的运动装置，其拥有一个与所述基底平面相切并垂直于其传送方向的自由度。在一些实施方案中，所述设备中的碳材料涂布装置的调压装置为压紧弹簧，弹簧顶端配备压力传感器。在一些实施方案中，所述设备中的传送装置由多个具有间歇及连续传送功能的轧辊构成，并且所述驱动装置驱动所述轧辊工作。在一些实施方案中，所述设备中的驱动装置包括电动机及控制装置；控制装置可实现柔性基底/电极的连续传送和间歇传送。在一些实施方案中，所述设备中的电沉积装置包括电沉积槽、轧辊及由工作电极(即柔性电极)和对电极组成的双电极体系。在一些实施方案中，位于电沉积槽内的轧辊安装在液面以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.三元复合柔性电极，其包含：柔性基底，以及所述基底上的碳材料/导电聚合物/金属氧化物或氢氧化物三元复合电极材料；其中所述导电聚合物、金属氧化物和金属氢氧化物均具有赝电容特性。

【技术特征摘要】
1.三元复合柔性电极，其包含：柔性基底，以及所述基底上的碳材料/导电聚合物/金属氧化物或氢氧化物三元复合电极材料；其中所述导电聚合物、金属氧化物和金属氢氧化物均具有赝电容特性。2.如权利要求1所述的三元复合柔性电极，其中所述柔性基底的两个表面上均具有碳材料/导电聚合物/金属氧化物或氢氧化物三元复合电极材料。3.如权利要求1或2所述的三元复合柔性电极，其中所述三元复合为涂布碳材料、电沉积导电聚合物以及电沉积金属氧化物或氢氧化物从而分层制备多层复合材料薄膜。4.制备三元复合柔性电极的方法，所述方法为：使用碳材料给体在柔性基底上进行涂布，得到一元碳材料柔性电极；在所述一元碳材料柔性电极表面电沉积导电聚合物，得到碳材料/导电聚合物二元复合柔性电极；在所述二元复合柔性电极上电沉积金属氧化物或氢氧化物，得到碳材料/导电聚合物/金属氧化物或氢氧化物三元复合柔性电极；以及任选地，清洗制得的碳材料/导电聚合物/金属氧化物或氢氧化物三元复合柔性电极；其中所述导电聚合物、金属氧化物和金属氢氧化物均具有赝电容特性。5.如权利要求4所述的方法，其中在所述柔性基底的两个表面上均进行碳材料的涂布、导电聚合物的电沉积及金属氧化物或氢氧化物的电沉积。6.如权利要求4所述的方法，其中所述方法为连续式的制备方法，其进一步包括：在所述碳材料涂布完成后，传送所述一元碳材料柔性电极至导电聚合物电沉积装置；以及在所述导电聚合物的电沉积完成后，连续传送所述二元复合柔性电极至金属氧化物或氢氧化物电沉积装置。7.柔性超级电容器，其包含如权利要求1-3中任一项所述的三元复合柔性电极或根据权利要求4-6中任一项所述的方法制得的三元复合柔性电极。8.制备柔性超级电容器的方法，所述方法包括：使用碳材料给体在作为隔膜的柔性基底上进行双面涂布，得到一元碳材料柔性电极；在所述一元碳材料柔性电极双面上电沉积导电聚合物，得到碳材料/导电聚合物二元复合柔性电极；在所述二元复合柔性电极双面上电沉积金属氧化物或氢氧化物，以在柔性基底的正反两个表面上分别形成碳材料/导电聚合物/金属氧化物或氢氧化物三元复合正极以及碳材料/导电聚合物/金属氧化物或氢氧化物三元复合负极，得到柔性超级电容器；以及任选地，清洗并收集制得的柔性超级电容器；其中所述导电聚合物、金属氧化物和金属氢氧化物均具有赝电容特性。9.如权利要求8所述的方法，其中所述方法为连续式的制备方法，其进一步包括：在所述碳材料涂布完成后，传送所述一元碳材料柔性电极至导电聚合物电沉积装置；以及在所述导电聚合物的沉积完成后，连续传送所述二元复合柔性电极至金属氧化物或氢氧化物电沉积装置。10.如权利要求4-6、8-9中任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张立，陆思，王儒涛，张亚斌，王世杰，
申请(专利权)人：香港中文大学，
类型：发明
国别省市：中国香港,81