一种基于氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料为电极的3D打印柔性超级电容器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料为电极的3D打印柔性超级电容器，其包括电极与电解质，所述柔性超级电容器按照下述步骤进行制备：S1：将氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料溶于合适的溶剂，于上述溶剂中加入一定质量比例的添加剂，通过球磨法得到打印墨水；S2：以上述打印墨水为原料，通过3D打印技术印刷得到叉指状电极；S3：以聚乙烯醇为原料，加入酸调节PH，高温加热搅拌，制备出酸性电解质，涂抹在上述叉指电极间隙中，即得到柔性微型超级电容器。所述3D打印技术操作简便，工艺精准，且所得柔性超级电容器具有出优异的电学性能，能够在稳定工作中保持高的能量密度和功率密度，以及良好的导电性能和循环稳定性。定性。定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料为电极的3D打印柔性超级电容器


[0001]本专利技术涉及电化学储能
，更具体地说涉及一种基于氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料为电极的3D打印柔性超级电容器。

技术介绍

[0002]如今，电子产品正面临着从刚性设备到柔性、可折叠的转变，其中柔性、可穿戴式电子产品由于其引人入胜的特性(如轻量、便携性、耐用性、可弯曲性和耐磨性)而引起了广泛的关注。传统供电方式需要定期对基底进行充电或更换，极其不环保；新兴的从自然光、温度或运动中获取及储备能量的储存设备功率输出大多是不规则且不均匀的；后续开发的电池里存在有毒化学物质有时会引起安全性问题，同时电池的循环寿命通常不足，并且电池组件还会出现不稳定性现象。作为电池的替代品，超级电容器有着出色的功率密度、稳定性好和长的循环寿命等优点，且随着便携式和可穿戴电子设备的快速发展，需要开发出具有灵活性和高能量与功率性能的器件以满足小型化的储能设备。其中，印刷电子技术为柔性微性超级电容器提供了一系列简单、低成本、多功能和环保的制造技术。但是用于印刷的材料可加工性能和稳定对于柔性超级电容器的成功印刷至关重要，其中电极、集电器及电解质为超级电容器的主要组件，在3D打印的超级电容器的背景下都具有特定的要求。
[0003]CN112509820A公开了一种以离子凝胶电解质为基底的3D打印自修复柔性超级电容器，以碳纳米管作为打印墨水，以1
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丁基
‑3‑
甲基咪唑三氟甲磺酰亚酰胺薄膜(BMIMTFSI
‑<br/>P)同时作为离子凝胶电解质和基底，碳纳米管同时作为正极材料和负极材料，通过墨水直写技术，得到一种自修复柔性超级电容器。
[0004]如上所述，现有技术公开了3D打印柔性超级电容器的方法，但是现有方法所用电极材料与适配墨水3D打印所得柔性超级电容器电化学性能不佳。基于目前制备柔性超级电容器的缺陷与改进方向，如何选择合适的电极材料与打印墨水，通过3D打印技术得到具有良好力学和电学性能的柔性超级电容器具有十分重要的意义，其中基于杂原子掺杂碳材料为电极3D打印柔性超级电容器成为目前电化学储能
的研究热点和重点，而这也正是本专利技术得以完成的寄出所在和动力所倚。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了通过选择合适的电极材料与打印墨水，使用3D打印技术得到具有良好力学和电学性能的柔性超级电容器，从而研发新型的高性能柔性超级电容器，尤其是得到一种基于多重杂原子掺杂多孔碳材料为电极的3D打印柔性超级电容器，本专利技术人进行了深入的研究，在付出了大量的创造性劳动后，从而完成了本专利技术。
[0006]具体而言，本专利技术的技术方案和内容涉及一种基于氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料为电极的3D打印柔性超级电容器。
[0007]更具体而言，本专利技术涉及一种基于氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料为电极的
3D打印柔性超级电容器的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0008]S1：将氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料溶于合适的溶剂，于上述溶剂中加入一定质量比例的添加剂，通过球磨法得到打印墨水；
[0009]S2：以上述打印墨水为原料，通过3D打印技术印刷得到叉指状电极；
[0010]S3：以聚乙烯醇为原料，加入酸调节PH，高温加热搅拌，制备出酸性电解质，涂抹在上述叉指电极间隙中，即得到柔性微型超级电容器。
[0011]在本专利技术所述的柔性超级电容器的制备方法中，在步骤S1中，所述溶剂要求表面张力为26
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40mN/m且材料稳定分散，例如可为单独体系溶液，优选成分为乙二醇、丙三醇；二体系溶液，优选成分及配比为乙二醇:丙酮、乙二醇:环己酮及丙三醇:环己酮＝1:2；三体系溶液，优选成分及配比为丙酮:乙二醇:丙三醇＝20:9:1；最优选为三体系溶液，即最优选成分及配比为丙酮:乙二醇:丙三醇＝20:9:1。
[0012]在本专利技术所述的柔性超级电容器的制备方法中，在步骤S1中，所述添加剂为粘结剂和导电剂，最优选粘结剂为PVDF、导电剂为乙炔黑；氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料：粘结剂：导电剂摩尔配比为7
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8:1
‑
1.5:1
‑
2，例如氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料:粘结剂:导电剂物摩尔比可为8:1:1、7:1.5:1.5、7:2:1、7:1:2，最优选为氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料:粘结剂:导电剂物＝8:1:1。
[0013]在本专利技术所述的柔性超级电容器的制备方法中，在步骤S1中，所述球磨法所用仪器为行星式球磨仪；球磨转速为400
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600rpm，例如可为400rpm、500rpm或600rpm，最优选为500rpm；球磨时间为10
‑
12h，例如可为10小时、11小时或12小时，最优选为12小时。
[0014]在本专利技术所述的柔性超级电容器的制备方法中，在步骤S2中，所述3D打印技术为喷墨打印或点胶打印，喷墨打印技术可直接打印出电极，打印工艺精准且图案整性高，打印成本较高；点胶打印可降低成本且达到打印精度，需后期在器件中加入集电器解决阻抗大的问题，集电器优选为导电银浆；综合考虑，最优选3D打印技术为点胶打印。
[0015]在本专利技术所述的柔性超级电容器的制备方法中，在步骤S3中，所述电解质原材料为聚乙烯醇；所述酸为浓硫酸或浓磷酸，最优选浓硫酸；调节PH过程中，聚乙烯醇量1
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3g，例如可为1g、2g或3g；水量30
‑
40ml，例如可为30ml、35ml或40ml；酸量0.5
‑
2.5g，例如可为0.5g、1.5g或2.5g；最优选为聚乙烯醇量3g，水量40ml，浓硫酸量2.5g。
[0016]本专利技术人发现，当采用本专利技术的上述制备方法尤其是其中某些优选工艺参数时，能够得到具有优良力学性能与电化学性能的柔性超级电容器，其有益效果如下：
[0017]1、选择以氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料为电极，该材料是以叉指式平面结构为代表的复杂二维结构，其多孔结构有助于电荷储存及电解质离子的传递，可提高印刷超级电容器的功率密度和导电性性能；同时该材料密度较大，为所得超级电容器良好的机械性能奠定了一定的基础。
[0018]2、步骤S1中选取合适的添加剂与溶剂，步骤S3中选取合适的电解质配方，最终所得体系的粘度为1.55cp，且表面张力为29.9mN/m，获得具有高粘度和薄稀化行为的油墨，符合喷墨打印墨水的打印要求，可实现3D打印的理想流变特性。
[0019]3、选择以3D打印技术制备，不仅打印工艺精准、图案完整性高，而且相对操作简便、成型快速、成本低廉、多功能且环保。
[0020]4、基于氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料为电极的3D打印柔性超级电容器具
有诸多的优异的电化学功能，1mV/s时，面电容达到11mF/cm2，电流密度为0.2mA/cm2时，电容为6mF/cm2，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料为电极的3D打印柔性超级电容器，包括电极与电解质，其特征在于：所述柔性超级电容器按照下述步骤进行制备：S1：将氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料溶于合适的溶剂，于上述溶剂中加入一定质量比例的添加剂，通过球磨法得到打印墨水；S2：以上述打印墨水为原料，通过3D打印技术印刷得到叉指状电极；S3：以聚乙烯醇为原料，加入酸调节PH，高温加热搅拌，制备出酸性电解质，涂抹在上述叉指电极间隙中，即得到柔性微型超级电容器。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述溶剂为单独体系溶液，优选成分为乙二醇、丙三醇；二体系溶液，优选成分及配比为乙二醇:丙酮、乙二醇:环己酮及丙三醇:环己酮＝1:2；三体系溶液，优选成分及配比为丙酮:乙二醇:丙三醇＝20:9:1；最优选为三体系溶液，即最优选成分及配比为丙酮:乙二醇:丙三醇＝20:9:1。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述添加剂为粘结剂和导电剂，所述添加剂摩尔比为氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料：粘结剂：导电剂＝7
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8:1
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1.5:1
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2，最优成分选摩尔比为所述氮氧硫氯多重杂原子掺杂多孔碳材料：粘结剂：导电剂＝8...

【专利技术属性】
技术研发人员：王舜，李俊，金辉乐，吴婉仪，陈锡安，张礼杰，
申请(专利权)人：温州大学新材料与产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：