【技术实现步骤摘要】
本申请属于电化学储能，涉及一种海藻纳米纤维素基电极、可摄入超级电容器及其制备方法和应用。更具体地，本申请涉及一种基于海藻纳米纤维素的电极材料以及一种包含该海藻纳米纤维素基电极及海藻纳米纤维素基隔膜的可摄入超级电容器，以及它们的制备方法和应用。
技术介绍
1、伴随着电子设备的快速迭代更新，医疗领域中的电子器件的市场需求越来越大。因此应用于体内的植入型以及瞬态的电子器件应运而生，例如胃起搏器，微型检测器、可摄入电子气体检测胶囊和心脏除颤器等，但这些设备都需要一种生物安全的能量源进行供电。
2、然而，现有传统的商用电池材料存在着电解质毒性高、容易局部过热且材料安全性未知等问题，难以应用于体内电子设备供电。因此，现有的研究人员制备了多种生物电源如可食用电池、胃酸电池、可吞咽超级电容器以及生物降解超级电容器。这些能量源主要以瞬态金属以及导电高分子作为电极原料，生物安全性低且难以兼顾其电化学行为。最终实现的电源设备能量密度低，且对人体健康影响较大。
3、因此，发展一种高性能、人体友好的可摄入超级电容器设备，对于体内疾病检测，药物精准释放等领域的发展都有着十分重要的意义。
技术实现思路
1、为了解决现有体内电子设备领域中，设备组件的安全性未知，储能密度低的问题，本专利技术提供了一种高性能且可被人体摄入的海藻纳米纤维素基生物电源设备。所述的可摄入电子器件是由可摄入的海藻纳米纤维素基正负极、隔膜等核心组分，以及集流体、电解液、封装层等材料经过层层组装实现的超级电容器。这种可摄
2、为此，本专利技术提供如下方面的技术方案。
3、<1>.一种海藻纳米纤维素基电极，所述电极包含以海藻纳米纤维素为粘结剂的电极层，在所述电极层中还包含质量比在70～90％范围内的微纳米级活性炭和微纳米级炭黑，所述微纳米级活性炭和所述微纳米级炭黑的总计质量与所述海藻纳米纤维素的质量比在9：1～7：3、优选9:1～8:1的范围内，且所述微纳米级活性炭和所述微纳米级炭黑填充在所述海藻纳米纤维素的纤维网络结构中。
4、<2>.根据<1>所述的电极，其中所述海藻纳米纤维素具有以下各项性能中的至少一项：
5、i)所述海藻纳米纤维素中的纳米纤维之间有强氢键作用，并且作为三维网络的结构框架；
6、ii)所述海藻纳米纤维素没有细胞毒性，且具备良好的生物相容性；
7、iii)所述海藻纳米纤维素的直径在20～800nm范围。
8、<3>.根据以上所述的电极，其中所述海藻纳米纤维素通过包括如下步骤的食品级剥离方法制备：
9、a)将海藻经过小分子溶剂浸泡，清洗，将表面自由的盐分溶解除去；
10、b)将清洗后的海藻加入到适当浓度的食品级碱溶液里，高温脱胶反应后，将海藻残渣采用小分子溶剂清洗，除去海藻酸盐等杂质；
11、c)将步骤b)得到的海藻反应物加入到适当浓度的食品级漂白剂里，在常温反应后，将海藻纤维素采用小分子溶剂进行清洗，除去色素以及半纤维素等杂质；
12、d)将步骤c)得到的海藻反应物加入到适当浓度的食品级弱酸溶液中，高温酸水解反应后，用小分子溶剂清洗海藻纤维素；
13、e)将步骤d)得到的海藻纤维素分散到小分子溶剂中，得到质量浓度范围在0.1～3％的纤维素溶液，再经过机械处理后获得所述海藻纳米纤维素。
14、<4>.根据以上所述的电极，其中所述海藻选自马尾藻、微藻、石莼、紫菜、海带、裙带菜以及褐藻中的一种。
15、<5>.根据<1>所述的电极，其中所述食品级溶液选自食品级碱溶液、食品级漂白剂以及食品级弱酸溶液中的一种或多种。
16、<6>.根据以上所述的电极，通过包括如下步骤的方法制备：
17、a)将质量比在19：1～4：1，优选为10:1～8:1范围内的活性炭和炭黑共同分散在小分子溶剂中，球磨后制备出1～10质量％的含有微纳米级活性炭和微纳米级炭黑的溶液；
18、b)将经<3>中所限定的食品级剥离方法提取的海藻纳米纤维素制成质量分数为0.1～5％的原料溶液；
19、c)将步骤a)得到的含有微纳米级活性炭和微纳米级炭黑的溶液以及步骤b)得到的原料溶液混合，使得所得到的悬浮液按所述微纳米级活性炭和微纳米级炭黑的总计质量与所述海藻纳米纤维素的质量比在9：1～7：3、优选9:1～8:1的范围内；
20、d)将步骤c)获得的所述混合溶液加工成薄膜材料；
21、e)将步骤d)所获得的薄膜材料裁切成所需尺寸的复合电极。
22、<7>.一种基于海藻纳米纤维素的可摄入超级电容器，其包括：
23、可摄入的正负电极，其分别是根据如上所述的电极；
24、海藻纳米纤维素基隔膜；
25、集流体；
26、电解液；以及
27、内外层封装材料。
28、<8>.根据<7>所述的基于海藻纳米纤维素的可摄入超级电容器，其中所述可摄入正负电极还具有以下各项性能中的至少一项：
29、i)所述正负电极的比表面积至少为1400m2/g；
30、ii)所述正负电极的厚度可调控在30～300μm之间；
31、iii)所述正负电极，作为重金属元素的铅离子浓度至多3mg/kg，作为重金属元素的砷离子浓度至多1mg/kg；
32、iv)所述正负电极中的单侧电容活性材料的负载量为2～20mg/cm2；
33、v)所述正负电极在饮料电解质浸润的条件下，其初始接触角至多40°，完全浸润时间至多5s。
34、<9>.根据<7>所述的基于海藻纳米纤维素的可摄入超级电容器，其中所述海藻纳米纤维素基隔膜具有以下各项性能中的至少一项：
35、i)所述海藻纳米纤维素基隔膜经过饮料电解质浸润后，离子电导率至少为8×10-4s/cm；
36、ii)所述海藻纳米纤维素基隔膜是厚度为10～80μm的多孔绝缘材料；
37、iii)所述海藻纳米纤维素基隔膜的拉伸强度至少为150mpa；
38、iv)所述海藻纳米纤维素基隔膜的比表面积至少为92m2/g；
39、v)所述海藻纳米纤维素基隔膜中，作为重金属元素的铅离子浓度至多3mg/kg，作为重金属元素的砷离子浓度至多1mg/kg；
40、vi)所述海藻纳米纤维素基隔膜的电解液吸收率为200％～300％；
41、vii)所述海藻纳米纤维素隔膜在饮料电解质的浸润下，其初始接触角至多40°，完全浸润时间至多5s。
42、<10>.根据<7>所述的可摄入超级电本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种海藻纳米纤维素基电极，所述电极包含以海藻纳米纤维素为粘结剂的电极层，在所述电极层中还包含质量比在70～90％范围内的微纳米级活性炭和微纳米级炭黑，所述微纳米级活性炭和所述微纳米级炭黑的总计质量与所述海藻纳米纤维素的质量比在9：1～7：3的范围内，且所述微纳米级活性炭和所述微纳米级炭黑填充在所述海藻纳米纤维素的纤维网络结构中。
2.根据权利要求1所述的电极，其中所述海藻纳米纤维素具有以下各项性能中的至少一项：
3.根据权利要求1所述的电极，其中所述海藻纳米纤维素通过包括如下步骤的食品级剥离方法制备：
4.根据权利要求1所述的电极，通过包括如下步骤的方法制备：
5.一种基于海藻纳米纤维素的可摄入超级电容器，其包括：
6.根据权利要求5所述的基于海藻纳米纤维素的可摄入超级电容器，其中所述可摄入正负电极还具有以下各项性能中的至少一项：
7.根据权利要求5所述的基于海藻纳米纤维素的可摄入超级电容器，其中所述海藻纳米纤维素基隔膜具有以下各项性能中的至少一项：
8.根据权利要求5所述的可摄入超级电容器，
9.根据权利要求5-8中任一项所述的可摄入超级电容器在大肠杆菌的抑制方面以及作为LED用电源方面的用途。
10.一种用于制备可食用海藻纳米纤维素的方法，所述方法包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种海藻纳米纤维素基电极，所述电极包含以海藻纳米纤维素为粘结剂的电极层，在所述电极层中还包含质量比在70～90％范围内的微纳米级活性炭和微纳米级炭黑，所述微纳米级活性炭和所述微纳米级炭黑的总计质量与所述海藻纳米纤维素的质量比在9：1～7：3的范围内，且所述微纳米级活性炭和所述微纳米级炭黑填充在所述海藻纳米纤维素的纤维网络结构中。
2.根据权利要求1所述的电极，其中所述海藻纳米纤维素具有以下各项性能中的至少一项：
3.根据权利要求1所述的电极，其中所述海藻纳米纤维素通过包括如下步骤的食品级剥离方法制备：
4.根据权利要求1所述的电极，通过包括如下步骤的方法制备：
5.一种基于海藻纳米纤维素的可摄入超级电容器，其包括...
【专利技术属性】
技术研发人员：俞书宏，何谦，凌张弛，管庆方，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：
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