一种柔性电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种柔性电极及其制备方法，以及由其制得的超级电容器，本发明专利技术所述柔性电极以本发明专利技术制得的碳纳米管薄膜作为集流体，具有质量轻、厚度小、柔性良好、化学稳定性好、电化学性能稳定等优异特性，特别是其经过大角度弯折后仍然具有良好的电化学性能，以其制得的超级电容器同样具有良好的电化学性能，同时该电极的制备方法简单，为超轻柔性固态超级电容器的发展指引了新方向。器的发展指引了新方向。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电化学
，具体涉及一种应用在超级电容器中的柔性电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]电化学超级电容器也叫做电化学电容器，或简称超级电容器，是近年来广为关注的新型能源器件。随着现代化的高速发展，石油、天然气、煤炭等能源危机迫在眉睫，人们开始研究太阳能、风能或者燃料电池等替代能源，但是由于能量来源本身的特性，决定了这些发电的方式往往具有不均匀性，电能输出容易发生变化。为了满足消费者峰值电能的需求，超级电容器成为替代能源
一种新型的关键部件。
[0003]超级电容器性能介于传统电容器和电池之间，兼有电池高比能量和传统电容器高比功率的特点。
[0004]集流体是支撑活性材料和实现电极与电极材料之间快速电子传输的重要部件，它们对柔性超级电容器的整体性能有很大的影响。目前超级电容器使用最广泛的集流体如泡沫镍、泡沫铜、不锈钢网，以及碳布、碳纸等。金属集流体虽然密度高，但其负载效率低，从而限制了超级电容器的电容体积和能量密度，进而严重限制了其实际应用。同时金属集流体与电极材料的接触面积有限，附着力弱，导致电极材料很容易从集流体上脱落，致使循环稳定性差，且金属集流体暴露在腐蚀性环境中容易反复充放电，其在循环使用500次后，会出现明显的电化学腐蚀，严重限制了其使用性能。
[0005]与金属相比，碳集流体具有更好的化学稳定性，然而普通的碳集流体同样面临负载效率低的问题，在容量体积和能量密度方面也并没有表现出明显的优势。显然这些传统的集流体无法满足对柔性固态超级电容器的要求。在现有的柔性固态超级电容器中，碳纳米材料，如石墨烯和碳纳米管因其优异的性能常用作柔性固态超级电容器的集流体，对于碳纳米材料而言，制备具有更少无定形碳和含氧基团等杂质和缺陷的高质量产品，对于提高其导电性和循环寿命是非常重要的。
[0006]因此，设计出一种用于柔性固态超级电容器中，具有优异的机械性能、质量轻、负载率高、导电性强、厚度小，且具有良好的化学稳定性的新型集流体及电极是非常重要的。

技术实现思路

[0007]基于上述技术背景，本专利技术人进行了锐意进取，结果发现：采用本专利技术制得的碳纳米管薄膜作为集流体可制得厚度较小、质量较轻、柔韧性良好的柔性电极，且该电极具有良好的机械性能和电化学稳定性，特别是其抗弯折性能好，经过大角度弯折后仍然能够保持良好的电化学性能，同时由其作为电极制得的超级电容器也具有良好的电化学性能，为超轻柔性固态超级电容器的发展开拓了新方向。
[0008]本专利技术第一方面在于提供一种柔性材料，该柔性材料由碳纳米管薄膜、钴源和沉淀剂制得。
[0009]本专利技术第二方面在于提供一种制备本专利技术第一方面所述柔性电极的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0010]步骤1、制备碳纳米管薄膜；
[0011]步骤2、用步骤1制得的碳纳米管薄膜、钴源和沉淀剂反应制备柔性电极。
[0012]本专利技术的第三方面在于提供一种柔性固态超级电容器，该柔性固态超级电容器包括本专利技术第一方面所述的柔性电极或根据本专利技术第二方面所述制备方法制得的柔性电极、碳纳米管薄膜
‑
聚苯胺复合材料和电解质。
[0013]本专利技术提供的柔性电极及其制备方法和由此制得的柔性固态超级电容器具有以下优势：
[0014](1)本专利技术所述的柔性电极以碳纳米管薄膜作为集流体极大的降低了电极的厚度和质量，且制备方法简单；
[0015](2)本专利技术所述的柔性电极及由其制得的超级电容器具有耐化学腐蚀性好、柔韧性高、电化学性能良好等优异性能。
附图说明
[0016]图1示出本专利技术实施例3制得的不对称柔性固态超级电容器的结构示意图；
[0017]图2示出本专利技术实施例1制得SWCNF的扫描电镜照片；
[0018]图3示出本专利技术实施例1制得SWCNF的透射电镜照片；
[0019]图4示出本专利技术实施例1制得SWCNF的直径分布图；
[0020]图5示出本专利技术实施例1制得SWCNF和实施例3制得SWCNF
‑
PANI的拉曼谱图；
[0021]图6示出本专利技术实施例2制得SWCNF
‑
Co2(OH)2CO3的扫描电镜照片；
[0022]图7示出本专利技术实施例1中制得的Co2(OH)2CO3和实施例2制得SWCNF
‑
Co2(OH)2CO3的XRD谱图；
[0023]图8示出本专利技术实施例2制得SWCNF
‑
Co2(OH)2CO3、对比例1制得泡沫镍
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Co2(OH)2CO3和对比例2制得碳布
‑
Co2(OH)2CO3的循环性能；
[0024]图9示出本专利技术实施例2制得的柔性电极不同弯曲角度下的电容和阻抗；
[0025]图10示出不同柔性电极的厚度和电容体积；
[0026]图11示出本专利技术实施例3制得柔性固态超级电容器的循环性能。
具体实施方式
[0027]下面将对本专利技术进行详细说明，本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0028]超级电容器中常用的集流体如泡沫镍、泡沫铜以及碳布等负载率低，导致超级电容器的电容体积和能量密度小，进而限制了其实际应用，为满足对柔性固态超级电容器的需求，本专利技术采用自制的碳纳米管薄膜作为电容器的集流体，碳纳米管薄膜作为碳纳米材料的一种，具有质量轻、导电率高、耐化学腐蚀等优异性能，用其作为集流体有望制得轻薄，且具有较高电化学性能的电极，并应用在电容器中。
[0029]本专利技术的第一方面在于提供一种柔性电极，该柔性电极由碳纳米管薄膜、钴源和沉淀剂制得。
[0030]所述碳纳米管可商购，也可进行自制，优选地，所述碳纳米管薄膜由包括以下步骤的制备方法制得：
[0031]步骤1
‑
1、制备源溶液；
[0032]步骤1
‑
2、升温制备碳纳米管薄膜。
[0033]以下对该步骤进行具体描述和说明。
[0034]在步骤1
‑
1中，所述源溶液由催化剂、促进剂和碳源制得。
[0035]所述催化剂为含A元素的化合物，本专利技术中A元素选自铁、钴、镍、钼、铬、铜、钨、锰、金和铂中的一种或几种；优选选自铁、钴、镍、铜和钼中的一种或几种，更优选选自铁、钴和镍中的一种几种。
[0036]含A元素的化合物选自含A元素的有机物和无机盐中的一种或几种，优选选自含A元素的有机物、硫酸盐、硝酸盐和乙酸盐中的一种或几种，更优选为含A元素的有机物，例如二茂铁。
[0037]所述促进剂选自硫化氢、硫磺和含硫有机物中的一种或几种，优选选自噻吩、硫化氢、硫磺和硫醇中的一种或几种，更优选为噻吩。在制备过程中添加促进剂能够提高碳纳米管的产率和性能。
[0038]所述含A元素的化合物中A元素与促进剂中硫元素的摩尔比为1:(0.05～1)，优选摩尔比为1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性电极，其特征在于，该柔性电极由碳纳米管薄膜、钴源和沉淀剂制得。2.根据权利要求1所述的柔性电极，其特征在于，所述碳纳米管薄膜由包括以下步骤的制备方法制得：步骤1
‑
1、制备源溶液；步骤1
‑
2、升温制备碳纳米管薄膜；所述钴源选自含钴化合物中的一种或几种；所述沉淀剂为尿素、氨水、明矾、氢氧化钠、碳酸钠或乙二胺四乙酸。3.根据权利要求1所述的柔性电极，其特征在于，碳纳米管薄膜与钴源的质量比为1:(1～10000)，沉淀剂与钴源的摩尔比为(0.5～5):1。4.根据权利要求1所述的柔性电极，其特征在于，柔性电极的厚度为0.02～0.1mm，其循环5000次的容量保持率为90％～95％，弯曲180
°
后，保持96％～99％的初始电容。5.一种制备权利要求1至4之一所述柔性电极的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、制备碳纳米管薄膜；步骤2、用步骤1制得的碳纳米管薄膜、钴源和沉淀剂反应制备柔性电极。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤1中，碳纳米管薄膜具体由以下制备方法制得：步骤1
‑
1、制备源溶液；步骤1
‑
2、升温制备碳纳米管薄膜；步骤1
‑
1中，所述源溶液由催化剂、促进剂和碳源制得；所述催化剂为含A元素的化合物，本发...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彦，朱胜，张则尧，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：