一种柔性电极、电容器及制备方法技术

本发明专利技术属于微纳制造与新能源领域，公开一种柔性电极、电容器及制备方法，柔性电极中，电化学功能材料分布在PU‑CNT导电薄膜基底上；PU‑CNT导电薄膜基底包括PU薄膜基底和CNT导电网络，PU薄膜基底为网状结构，PU薄膜基底的纤维表面分布碳纳米管，分布在PU薄膜基底上的碳纳米管构成所述CNT导电网络。电容器中，凝胶电解质隔层的两表面均粘结有柔性电极，柔性电极与凝胶电解质隔层组成三明治超级电容器结构，三明治超级电容器结构的两表面均贴附有柔性封装保护层，凝胶电解质隔层两侧的柔性电极均连接有电极引出线。本发明专利技术的柔性电极具有出色的延展性能，能够提高电容器的柔性，进而使得柔性可穿戴设备具有优良的柔性。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性电极、电容器及制备方法
本专利技术属于微纳制造与新能源领域，具体为一种柔性电极、电容器及制备方法。
技术介绍
随着便携式柔性电子产品的不断发展，人类社会对柔性高性能能量存储器件的需求越来越高，如何制备高性能、低成本可穿戴储能器件受到越来越多的关注。电池等储能器件受限于功率密度小、使用寿命短、充放电时间长等缺陷，发展受到限制。超级电容器作为一种新型的储能器件，能够提供极高的功率密度，同时具有循环寿命长、充放电时间短等优势，近些年来被科学家们广泛研究。然而，现阶段的柔性超级电容器延展性不足，不能满足便携式柔性电子产品对柔性的需求，而柔性超级电容器延展性不足的主要原因在于目前柔性超级电容器的电极的延展性不足。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种柔性电极、电容器及制备方法，本专利技术的柔性电极具有出色的延展性能，能够提高电容器的柔性，进而使得柔性可穿戴设备具有优良的柔性。本专利技术的目的通过如下技术方案实现：一种柔性电极，包括电化学功能材料和PU-CNT导电薄膜基底，所述电化学功能材料分布在PU-CNT导电薄膜基底上；PU-CNT导电薄膜基底包括PU薄膜基底和CNT导电网络，PU薄膜基底为网状结构，PU薄膜基底的纤维表面分布碳纳米管，分布在PU薄膜基底上的碳纳米管构成所述CNT导电网络。优选的，所述电化学功能材料包括过渡金属氧化物、层状双金属氢氧化物和导电聚合物。优选的，以质量百分数计，柔性电极中，CNT导电网络的含量为2％-5％，电化学功能材料的含量为8％-10％。本专利技术上述柔性电极的制备方法，包括如下过程：通过静电纺丝法制备所述PU薄膜基底；通过超声空化制备嵌入PU薄膜基底的CNT导电网络，形成PU-CNT导电薄膜基底；通过电化学沉积法将电化学功能材料负载在PU-CNT导电薄膜基底上，得到所述柔性电极。优选的，静电纺丝前驱液中含有质量分数为20％～30％的PU，静电纺丝前驱液中的溶剂采用质量比为1:1的二甲基甲酰胺和丙酮混合液。优选的，静电纺丝方法制备所述PU薄膜基底时，静电纺丝工作电压为8～12kV，纺丝针头到纤维收集器的距离为8～15cm，纺丝针头出口的流量为0.1～100mL/h。优选的，超声空化前驱液为碳纳米管溶液，超声空化的功率为300～380W，时间为20～30min。优选的，所述碳纳米管溶液的制备方过程包括：将碳纳米管粉末分散于溶剂中，并进行超声分散，使碳纳米管粉末在溶剂中分散均匀，得到所述碳纳米管溶液；其中，溶剂为去离子水，分散剂为十二烷基苯磺酸钠；其中，每100mL去离子水加入50mg十二烷基苯磺酸钠；其中，十二烷基苯磺酸钠与碳纳米管粉末的质量比例为1：1。本专利技术还提供了一种电容器，包括凝胶电解质隔层、电极引出线、PI柔性封装保护层和本专利技术上述的柔性电极，凝胶电解质隔层具备可拉伸性能，凝胶电解质隔层的两表面均粘结有柔性电极，柔性电极与凝胶电解质隔层组成三明治超级电容器结构，三明治超级电容器结构的两表面均贴附有柔性封装保护层，凝胶电解质隔层两侧的柔性电极均连接有电极引出线，凝胶电解质隔层即作为固体电解质又起隔膜的用。优选的，凝胶电解质隔层采用PVA-H2SO4凝胶电解质隔层。优选的，PVA-H2SO4凝胶电解质隔层的制备包括如下过程：将PVA(聚乙烯醇)粉末、H2SO4分散于去离子水中，在85℃下搅拌，直到溶液变为澄清透明状；其中，每10mL去离子水中加入1gPVA粉末，1gH2SO4，H2SO4的浓度为98％。本专利技术上述电容器的制备方法，包括如下过程：在柔性电极上连接电极引出线；将凝胶电解质均匀涂抹于柔性电极表面，将两片大小相同的柔性电极面对面组装形成三明治电极结构，柔性封装保护层包裹在三明治电极结构外部，然后进行压制，压制时，压强为10MPa～1Gpa，时间为15～60分钟。优选的，电极引出线通过银胶粘附于柔性电极。优选的，电极引出线与柔性电极的连接过程包括：在室温下，将0.1mm导线放置于柔性电极表面，银胶均匀涂敷于电极引出线与柔性电极接触位置，后转入真空干燥箱中，在75～85℃条件下烘烤1～2h。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术柔性电极，PU薄膜基底为柔性不导电三维网状结构，碳纳米管分布在PU薄膜基底的纤维表面构成CNT导电网络，因此形成的PU-CNT导电薄膜基底具备良好的导电性能；CNT导电网络均匀的嵌入、缠绕在PU纤维表面，保留了PU薄膜的三维网状结构，提高了PU薄膜基底的有效表面积，为电化学功能材料的负载提供更多活性位点，同时提高了PU薄膜基底的可拉伸性能，因此形成的PU-CNT导电薄膜基底拉伸率可达300％；PU-CNT导电薄膜基底具备良好的导电性能、更大的有效表面积，因此增加了基底的通用性和柔性电极的电化学性能。进一步的，以质量百分数计，柔性电极中，分布在PU薄膜基底上的CNT导电网络含量为2％-5％，电化学功能材料含量为8％-10％。CNT含量大于5％，形成的CNT导电网络过多的交联，覆盖在PU薄膜基底表面，破坏了PU薄膜基底的三维网状结构，降低了基底的有效表面积；CNT含量低于2％，不利于形成导电网络，制备的PU-CNT薄膜基底可拉伸兴、导电性差。电化学功能材料含量高于10％时，过多的电化学功能材料破坏了薄膜基底的三维网状结构，降低了薄膜基底的导电性，减小了电子转移速率；电化学功能材料低于8％时，无法充分利用薄膜基底的有效表面积，制备的柔性电极性能较差。本专利技术柔性电极的制备方法中，PU薄膜基底通过静电纺丝一步化工艺制备，省去了极化的过程，同时形成的网状结构的基底薄膜具备高的有效表面积和可拉伸性能；CNT通过超声空化作用嵌入、缠绕在PU薄膜基底纤维表面，超声空化工艺简单，参数可控，且CNT均匀的嵌入到纤维内部，大变形下不会发生脱落，增加了薄膜基底的耐久性能。本专利技术的超级电容器通过凝胶电解质隔层、电极引出线、PI柔性封装保护层和本专利技术上述的柔性电极组装而成，凝胶电解质隔层具备可拉伸性能，即充当隔膜又充当电解质，该全固态超级电容器具备良好的电化学性能和可拉伸性能，完美的契合人体在运动过程产生的弯折、扭转等动作，为可穿戴式超级电容器的制备提供了良好的基础。附图说明图1是本专利技术电容器的层状结构示意图；图2是本专利技术电容器应用在缝制于可穿戴织物内部的示意图；图3是本专利技术电极引出线连接柔性电极后的结构示意图；图4是本专利技术提供柔性电极的结构示意图；图5是本专利技术制备PU薄膜基底静电纺丝装置结构示意图；图6是本专利技术提供PU@CNT形貌示意图。其中，1-柔性电极，2-凝胶电解质隔层，3-电极引出线，4-柔性封装保护层，5-可穿戴织物，6-PU薄膜基底，7-CNT导电网络，8-电化学功能材料，9-PU-CNT导电薄膜基底。具体实施方式下面结合附图和实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性电极，其特征在于，包括电化学功能材料(8)和PU-CNT导电薄膜基底(9)，所述电化学功能材料(8)分布在PU-CNT导电薄膜基底(9)上；PU-CNT导电薄膜基底(9)包括PU薄膜基底(6)和CNT导电网络(7)，PU薄膜基底(6)为网状结构，PU薄膜基底(6)的纤维表面分布碳纳米管，分布在PU薄膜基底(6)上的碳纳米管构成所述CNT导电网络(7)。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性电极，其特征在于，包括电化学功能材料(8)和PU-CNT导电薄膜基底(9)，所述电化学功能材料(8)分布在PU-CNT导电薄膜基底(9)上；PU-CNT导电薄膜基底(9)包括PU薄膜基底(6)和CNT导电网络(7)，PU薄膜基底(6)为网状结构，PU薄膜基底(6)的纤维表面分布碳纳米管，分布在PU薄膜基底(6)上的碳纳米管构成所述CNT导电网络(7)。


2.根据权利要求1所述的一种柔性电极，其特征在于，所述电化学功能材料(8)包括过渡金属氧化物、层状双金属氢氧化物和导电聚合物。


3.根据权利要求1所述的一种柔性电极，其特征在于，以质量百分数计，柔性电极中，CNT导电网络(7)的含量为2％-5％，电化学功能材料(8)的含量为8％-10％。


4.权利要求1-3任意一项所述柔性电极的制备方法，其特征在于，包括如下过程：
通过静电纺丝法制备所述PU薄膜基底(6)；
通过超声空化制备嵌入PU薄膜基底(6)的CNT导电网络(7)，形成PU-CNT导电薄膜基底(9)；
通过电化学沉积法将电化学功能材料(8)负载在PU-CNT导电薄膜基底(9)上，得到所述柔性电极。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，静电纺丝前驱液中含有质量分数为20％～30％的PU，静电纺丝前驱液中的溶剂采用质量比为1:1的二甲基甲酰胺和丙酮混合液。


6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗国希，张乾坤，陈科，周文科，赵立波，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61