结构功能一体化超级电容器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及结构功能一体化超级电容器及其制备方法，该超级电容器包括固态电解质以及设置在固态电解质两侧的碳纤维复合电极。将碳纤维或其编织材料与碳基电极材料复合，形成高导电三维网络，同时用导电聚合物进行修饰，得到碳纤维复合电极，将所得的碳纤维复合电极组装在固态电解质的两侧，得到超级电容器。与现有技术相比，本发明专利技术具有抗拉伸强度大、导电性能提升，比表面积增大，比电容量提升，避免漏液等优点。

【技术实现步骤摘要】
结构功能一体化超级电容器及其制备方法
本专利技术涉及电容器，尤其是涉及一种结构功能一体化超级电容器及其制备方法。
技术介绍
在众多种类的储能设备中，超级电容器(又称为电化学电容器)是一种新型的电荷储备器件，与一般电池相比具有功率密度大、支持大电流充放电、循环寿命长、环保无污染和温度特性好的优点，而且在充放电过程中不涉及化学反应，其电极材料不会受到破坏；较普通的电容相比具有与容量大等优点。因此，超级电容器在新能源、交通运输、和工业领域有着广阔的应用前景，适用于电动大巴、汽车启动、风力发电和电力系统电网改造等领域。近年来，随着人们对储能设备依赖程度的增加，单一功能的储能设备已经无法满足人们日益增长的需求。研究的新方向聚焦在了多功能储能系统上，中国专利CN106941179A公开了一种石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料的制备方法，该碳布电极材料用来做为生物电化学系统反应器中的阳极，虽然加快了生物阳极驯化，但是在该材料并未致密化，不具有结构以及承受载荷方面没有进一步的探究性能。中国专利CN106997808A公开了一种基于石墨烯/硅铝质胶凝材料的超级电容器。其采用硅铝质胶凝材料作为隔层，虽然有一定的抗压强度，但是抗拉强度较低，以及比电容量方面都不太理想也不是合适的结构材料。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种抗拉伸强度大、导电性能提升，比表面积增大，比电容量提升，避免漏液的结构功能一体化超级电容器及其制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种结构功能一体化超级电容器，其特征在于，该超级电容器包括固态电解质以及设置在固态电解质两侧的碳纤维复合电极。所述的固态电解质采用聚环氧乙烷基(PEO)、聚甲基丙烯酸甲酯基(PMMA)、聚偏氟乙烯基(PAN)、聚氯乙烯基(PVC)聚合物电解质的一种或多种。所述的固态电解质为厚度在0.8～1mm的薄膜。所述的碳纤维复合电极为碳纤维或与其它材料的混合。所述的碳纤维复合电极为碳纤维或其编织材料与碳基电极材料且与导电高分子复合，具体复合方法是先把导电高分子与碳基电极材料的进行复合，之后得到的总修饰物均匀涂抹于碳纤维材料上。如苯胺单体在石墨烯水分散液里面进行聚合。然后进行涂抹，形成的高导电三维网络。碳基电极材料与导电高分子材料先进行复合后形成的总修饰物在碳纤维或其编织材料上单面的负载量为5mg.cm-2。所述的碳基电极材料为石墨烯或碳纳米管中的一种或多种。碳基电极材料与导电高分子进行复合，目的提高电极的比表面积，增强复合电极的比电容量。碳基电极材料与导电高分子先进行复合得到总的电极修饰物材料的方法：将石墨烯或碳纳米管的水分散液溶质与导电高分子单体按质量比为5-100:1在盐酸溶液中超声分散，然后与过硫酸铵的盐酸溶液在0-5℃反应10h，室温下搅拌8h，抽滤后，冷冻干燥1d得到碳基电极材料与导电高分子材料复合后形成的电极总修饰物。其中过硫酸铵与导电高分子单体摩尔比为1-2:1，盐酸溶液的浓度为1mol/L。碳纤维或其编织材料与碳基电极材料/导电高分子复合方法如下：碳基电极材料与导电高分子先进行复合后得到的总修饰物与PVDF按照10：1的质量比仔细研磨，滴入适量的N-甲基吡咯烷酮混合成膏状，用小刷子均匀涂抹于碳纤维或其编织材料两面。所述的导电高分子采用聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺中的一种或多种。所述的碳基电极材料在起始的水分散液的浓度为(0.05-1)g.L-1。一种结构功能一体化超级电容器的制备方法，包括以下步骤：将碳纤维或其编织材料与碳基电极材料复合，形成高导电三维网络，同时用导电聚合物进行修饰，得到碳纤维复合电极，将所得的碳纤维复合电极组装在固态电解质的两侧，得到超级电容器。本专利技术提出能够将材料的力学承载功能与能量储存储能系统功能同时与结合，实现结构/功能一体化能量转换、可弯曲、结构强度等特性结合起来。该结构特别在航天、航空等对重量异常敏感、对材料/结构领域上，结构轻量化及多功能化有迫切需求的场合有良好的应用前景尤为重要，它可以减轻运载器飞机重量，节省燃料燃烧；，又可以增加载重量，提高有效载荷。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)组装得到的新型结构超级电容器不仅满足一定的电容特性，并且可以在承受一定载荷的条件下工作，特别沿着碳纤维方向的抗拉伸强度大，做到了储能结构一体化。(2)采用碳纤维复合材料做电极，并引入活性物质，导电性能提升，比表面积增大，比电容量提升。(3)采用的固态聚合物电解质省去了隔膜这一组成需求，同时组装过程也避免漏液问题。附图说明图1为本专利技术超级电容器的接示意图；图2为图1中碳纤维或其编织材料的放大图；图3是本专利技术的超级电容器的一种具体实施方式的结构示意图。图中标识为：1为碳纤维或其编织材料，2为导电高分子和碳基电极材料复合物，3为固态电解质，4为碳纤维复合电极。具体实施方式下面对本专利技术的实施例做详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1石墨烯掺杂PANI复合物制备：在三角瓶中配置100ml浓度为0.05g.L-1的石墨烯水分散液，超声(300W)30min使石墨烯分散均匀，然后加入0.2g苯胺单体和60ml1mol.L-1的盐酸再次超声30min，苯胺单体依靠Π-Π堆积作用吸附到石墨烯纳米片表面。预先在烧杯中将1.08g过硫酸铵溶解于60ml1mol.L-1盐酸溶液，待三角瓶中的溶液温度降至0℃左右，将过硫酸铵溶液迅速滴加到三角瓶中，反应温度保持3℃约10h，再在室温下持续搅拌8h，停止反应，抽滤，用去离子水洗涤至滤液无色，真空冷冻干燥24h，仔细研磨均匀，制备得到1％石墨烯，样品置于干燥皿中保存。将上述得到的电极修饰材料与PVDF按照10：1的质量比仔细研磨，滴入适量的N-甲基吡咯烷酮混合成膏状，用小刷子均匀涂抹于碳布两面，单面的负载量为5mg.cm-2，60℃烘干5h备用。固态聚合物电解质制备：称取0.6gPVA和0.2gCMC于一干净的烧杯中，加入适当的去离子水，搅拌、加热到90℃，使得PVA和CMC充分溶解并混合均匀。然后逐滴加入KOH水溶液1.2g，继续搅拌加热到混合液呈粘稠状，将烧杯中的混合液倒入成模模具上铺开，冷却成膜，厚度控制在0.8-1mm。按照图3所示组装得到结构/功能一体化超级电容器，该超级电容器包括固态电解质3以及设置在其两侧的聚苯胺/石墨烯修饰得到的碳纤维复合电极4，组装后的超级电容器的结构如图1所示，包括碳纤维或其编织材料1(结构如图2所示)，导电高分子和碳基电极材料复合物2，碳纤维或其编织材料1包裹在导电高分子和碳基电极材料复合物2内组成碳纤维复合电极4，固态电解质3夹设在中间。检测本实施例所制得的超级电容器的抗拉强度为1820MPa，比电容为82F.g-1。实施例2石墨烯掺杂PANI复合物制备：在三角瓶中配置100ml浓度为0.25g.L-1的石墨烯水分散液，超声(300W)30min使石墨烯分散均匀，然后加入0.2g苯胺单体和60ml1mol.L-1的盐酸再次超声30min，苯胺单体依靠Π-Π堆积作用吸附到石墨烯纳米片表面。预先在烧杯中将1.08g过硫酸铵溶解于60ml1mol.L-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结构功能一体化超级电容器，其特征在于，该超级电容器包括固态电解质以及设置在固态电解质两侧的碳纤维复合电极。

【技术特征摘要】
1.一种结构功能一体化超级电容器，其特征在于，该超级电容器包括固态电解质以及设置在固态电解质两侧的碳纤维复合电极。2.根据权利要求1所述的一种结构功能一体化超级电容器，其特征在于，所述的固态电解质采用聚环氧乙烷基(PEO)、聚甲基丙烯酸甲酯基(PMMA)、聚偏氟乙烯基(PAN)、聚氯乙烯基(PVC)聚合物电解质的一种或多种。3.根据权利要求1所述的一种结构功能一体化超级电容器，其特征在于，所述的固态电解质为厚度在0.8～1mm的薄膜。4.根据权利要求1所述的一种结构功能一体化超级电容器，其特征在于，所述的碳纤维复合电极为碳纤维或与其它材料的混合。5.根据权利要求1或4所述的一种结构功能一体化超级电容器，其特征在于，所述的碳纤维复合电极为碳纤维或其编织材料与碳基电极材料复合，形成的高导电三维网络。6.根据权利要求5所述的一种结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：李华，陈永乐，陈浩昌，刘河洲，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31