一种一体式多相水凝胶及其制备方法和在柔性可拉伸超级电容器中的应用技术

本发明专利技术公开了一种一体式多相水凝胶及其制备方法和在柔性可拉伸超级电容器中的应用

【技术实现步骤摘要】
一种一体式多相水凝胶及其制备方法和在柔性可拉伸超级电容器中的应用


[0001]本专利技术涉及水凝胶材料
，具体的说涉及一种一体式多相水凝胶及其制备方法和在柔性可拉伸超级电容器中的应用
。

技术介绍

[0002]可拉伸超级电容器
(SC)
因其可靠的安全性
、
高功率密度
、
快速充放电速率和长循环寿命而引起了人们的极大兴趣
(H.Huang,C.M.Lin,Z.F.Hua,J.J.Guo,D.D.Lu,Y.H.Ni,S.L.Cao,X.J.Ma,Chem.Eng.J.2022,448,137589.)。
可拉伸超级电容器通常是一种三层结构设计，在两个电极层之间夹有一层电解液层
。
三明治可拉伸超级电容器在大应变下能保持较高的能量和功率密度
。
然而，串联集成超级电容器主要依赖于大量的导电金属线，这是构建高压输出可拉伸器件的一个重要障碍
。(Q.Gong,Y.Q.Li,X.H.Liu,Z.B.Xia,Y.Yang,Carbohydr.Polym.2020,245,116611
；
Z.K.Wang and Q.M.Pan,Adv.Funct.Mater.2017,27,1700690.)。
因此，可拉伸超级电容器领域的一个巨大挑战是如何通过设计创新材料或超级电容器的结构来优化电极和电解质之间的界面连接
。
[0003]通常来讲，为了克服这一挑战，最近开发了二维r/>(2D)SC
结构，方法是在可拉伸的聚合物基板上印刷集流体和电化学活性材料
。
这种平面结构设计没有外部金属互连，极大地简化了
SC
器件的串联集成过程
。
然而，由于电极和聚合物基板之间的界面粘附性差，所得到的
SC
在拉伸变形时表现出不令人满意的电容保持
(P.Das,L.Z.Zhang,S.H.Zheng,X.Y.Shi,Y.J.Li,Z.
‑
S.Wu,Carbon,2022,196,203
‑
212.)
，尽管已经采用了几种起皱的几何和界面工程策略
。
更令人沮丧的是，由于界面工程方法只适用于消除界面附近高模量电极的拉伸应变，而不适用于较厚的电极涂层的体相，因此电极涂层的厚度是非常有限的
(L.Z.Zhang,D.Liu,Z.
‑
S.Wu,W.W.Lei,Energy Environ.Sci.2020,32,402
‑
417.)。
电极厚度的普遍限制是构建高能量密度和高功率密度
SC
的主要瓶颈
。
[0004]因此，从应用的角度来看，提供一种同时具有大应变容限
、
高能量和功率密度
、
易于实现集成和简单材料设计的柔性可拉伸超级电容器是本领域技术人员亟需解决的技术问题
。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种一体式多相水凝胶用于构建同时具有良好界面韧性
、
大应变
、
高能量和功率密度
、
易于集成的柔性可拉伸超级电容器的方案
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种一体式多相水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)
将聚乙烯醇和植酸溶解在水中，然后加入硫酸，
75
～
95℃
搅拌2～
3h
，得到均相溶液，然后冷却至室温形成
PVA/SA/PA
半凝胶电解质；
[0009](2)
将聚乙烯醇溶解在植酸中，在
75
～
95℃
下搅拌2～
3h
，然后加入过硫酸铵和杂
多酸得均相溶液，再向溶液中再加入植酸和苯胺，并在
75
～
95℃
下连续搅拌3～
4h
后，在
‑
30
～
‑
20℃
下冷冻4～
6h
，得到
PVA/PA/PANI/HPA
半凝胶电极；
[0010](3)
将
PVA/SA/PA
半凝胶电解质注射到模具中，然后将
PVA/PA/PANI/HPA
半凝胶电极注射到
PVA/SA/PA
半凝胶电解质中，形成平行排列
、
间距可控的电极；用
PVA/SA/PA
半凝胶电解质覆盖模具，确保
PVA/PA/PANI/HPA
完全嵌入
PVA/SA/PA
半凝胶电解质的本体相中，最后，将模具冷冻，然后再室温解冻，得到一体式多相水凝胶
。
[0011]本专利技术所述的一体式多相水凝胶是将两个平行的波状
(
或者其他形状，比如矩形，
V
型等
)PVA/PA/PANI/HPA
半凝胶电极注射到
PVA/SA/PA
半凝胶电解质的本体相中形成的一种多相水凝胶
。
该平行排列波状水凝胶无需任何后处理即可直接用作柔性可拉伸超级电容器的可拉伸电极的阳极和阴极，
PVA/SA/PA
水凝胶既可用作可拉伸电解质，又可用作弹性衬底
。
所制备的柔性可拉伸超级电容器可保持超强的界面韧性，具有优异的充放电循环稳定性，并在弯折
、
扭曲
、
拉伸等机械变形条件下具有良好的电容保持率
。
[0012]进一步，步骤
(1)
中所述
PVA/SA/PA
半凝胶电解质由以下质量分数原料组成：聚乙烯醇
13.76
～
26.20
％，植酸
58.07
～
80.64
％，其余为硫酸
。
[0013]采用上述进一步方案的有益效果在于：本专利技术上述方案制备的
PVA/SA/PA
半凝胶可以作为可拉伸电解质，又可用作弹性基底，其中
PA
能显著增强
PVA
与
PA
之间的氢键作用，从而改善
PVA/S/PA
水凝胶的力学性能
。
硫酸
(S)
提高了
PVA/S/PA
水凝胶的质子电导率
。
[0014]进一步，步骤
(2)
中所述
PVA/PA/PANI/HPA
半凝胶电极由以下质量分数原料组成：聚乙烯醇的质量分数为
7.97
～
10.4
％，植酸的质量分数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种一体式多相水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
将聚乙烯醇和植酸溶解在水中，然后加入硫酸，
75
～
95℃
搅拌2～
3h
，得到均相溶液，然后冷却至室温形成
PVA/SA/PA
半凝胶电解质；
(2)
将聚乙烯醇溶解在植酸中，在
75
～
95℃
下搅拌2～
3h
，然后加入过硫酸铵和杂多酸得均相溶液，再向溶液中再加入植酸和苯胺，并在
75
～
95℃
下连续搅拌3～
4h
后，在
‑
30
～
‑
20℃
下冷冻4～
6h
，得到
PVA/PA/PANI/HPA
半凝胶电极；
(3)
将
PVA/SA/PA
半凝胶电解质注射到模具中，然后将
PVA/PA/PANI/HPA
半凝胶电极注射到
PVA/SA/PA
半凝胶电解质中，形成平行排列
、
间距可控的电极；用
PVA/SA/PA
半凝胶电解质覆盖模具，确保
PVA/PA/PANI/HPA
完全嵌入
PVA/SA/PA
半凝胶电解质的本体相中，最后，将模具冷冻，然后再室温解冻，得到一体式多相水凝胶
。2.
根据权利要求1所述一种一体式多相水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
中所述
PVA/SA/PA
半凝胶电解质由以下质量分数原料组成：聚乙烯醇
13.76
～
26.20
％，植酸
58.07
～
80.64
％，其余为硫酸
。3.
根据权利要求1所述一种一体式多相水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤
(2)
中所述
PVA/PA/PANI/HPA
半凝胶电极由以下质量分数原料组成：聚乙烯醇
7.97
～
10.4
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文，母传玲，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：