本发明专利技术涉及超级电容器、电池等电化学储能器件领域，具体为一种基于纳米复合材料及其制备方法和在柔性储能器件的应用，解决一般储能器件难于弯曲变形问题。通过纳米活性材料与柔性纤维进行复合，将纳米活性材料的高储能特性和柔性纤维材料的优良柔性结合，纳米活性材料的质量百分比为0.1％～40％，其余为柔性纤维，形成具有三维连通网络结构的柔性纳米复合材料，并将此材料同时作为电极活性材料和集流体，组装成可弯折的柔性储能器件，在弯折条件下仍然具有较高的比容量，与未弯折时的比容量相当，有望应用在未来的柔性器件领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超级电容器、电池等电化学储能器件领域，具体为一种基于纳米复合材料及其制备方法和在柔性储能器件(超级电容器或电池)的应用。
技术介绍
电化学储能是一种被广泛运用的储能形式，尤其在电子工业、动力机械、电动汽车以及国防工业领域中作为唯一的或者重要的能量储存方式发挥了巨大作用。电化学储能主要包括超级电容器和电池两种形式，前者主要依靠电极材料表面对电解液离子的吸附以及表面法拉第反应储能，具有高功率密度、长的循环使用寿命和快速充放电能力，且安全无污染；后者主要依靠电极材料体相的化学反应或相变储能，具有高能量密度，恒定的充放电电位。为了满足人们对电子产品小型化日益增长的需求，柔性的可穿戴的便携电子产品成为了未来的发展趋势，比如电子纸、可卷绕的显示屏、电子标签和柔性传感器。但当前作为供电装置传统的储能器件一般都使用刚性的封装，很难进行弯折，已不能满足未来在柔性电子产品中的应用。因此，亟需能够与柔性电子产品配合的柔性储能器件以提供所需能量存储装置。
技术实现思路
为了满足柔性电子产品的发展需求，本专利技术的目的在于提供一种基于纳米复合材料及其制备方法和在柔性储能器件的应用，同时具有柔性可弯折和电化学储能的能力，解决传统的储能器件难于弯曲变形，不能满足未来柔性电子器件发展需要的问题。本专利技术的技术方案是本专利技术基于纳米复合材料中，纳米活性材料的质量百分比为0. 40% (优选范围为4% 40% )，其余为柔性纤维。本专利技术基于纳米复合材料的制备方法，具体过程如下1、通过超声分散法或搅拌分散法，将纳米活性材料分散在溶剂中形成稳定溶液或胶体；2、通过过滤、浸渍、旋涂、喷涂或者这些过程组合，将不同纳米活性材料的溶液或胶体交替沉积于柔性纤维中，得到多种纳米活性材料复合的纳米柔性材料，步骤如下过滤以柔性纤维为过滤介质，采用过滤或真空抽滤法将溶液或胶体中的纳米活性材料吸附于纤维表面以及沉积于纤维之间的孔道中，通过多次过滤至柔性纤维中纳米活性材料达到所需含量；浸渍将柔性纤维浸没于溶液或胶体中，取出并在50°C 120°C下干燥1 M小时，增加纳米活性材料吸附于纤维表面，通过多次反复浸渍、干燥至柔性纤维中纳米活性材料达到所需含量；旋涂以柔性纤维为基体，旋涂时将溶液或胶体连续滴加于柔性纤维表面，然后在50°C 120°C下干燥，通过反复旋涂、干燥至柔性纤维中纳米活性材料达到所需含量；喷涂以柔性纤维为基体，将溶液或胶体喷涂于基体表面，随后在50°C 120°C下干燥，通过多次喷涂、干燥至柔性纤维中纳米活性材料达到所需含量；采用过滤、浸渍、旋涂、喷涂或者这些过程组合，以柔性纤维为模板，可使纳米活性材料三维地、均勻地沉积于柔性纤维中，得到具有三维连通网络结构的柔性纳米复合材料。复合材料的厚度为ΙΟμπι 1000 μ m，拉伸强度为IMPa lOMPa，延伸率为 8%，方块电阻为200ΜΩ/πι2 ΙΟΩ/m2。将其组装成超级电容器，质量比容量可达100 200F/g，面积比容量可达0.01 0. lF/cm2,能量密度为0. 1 5. Offh/kg,功率密度为 0. 01 200KW/kg，5000次循环后电容量保持率为95%以上。本专利技术所选用的纳米活性材料可以为石墨烯或碳纳米管等炭材料，或者为两者的复合材料；所选用的柔性纤维材料可以为各种用途的纸纤维或者为织物纤维。其中，石墨烯的规格为层数1 50层；碳纳米管的规格为内径1 30nm，外径 2 50nm，长度1 10 μ m。本专利技术基于纳米复合材料在柔性储能器件的应用，具体如下将得到的纳米复合材料裁剪成需要形状的电极片和集流体，以柔性纤维作为隔膜，组装成对称型的柔性超级电容器。或者，将得到的纳米复合材料裁剪成需要形状的电极片，以柔性纤维作为隔膜，组装成三明治结构对称型超级电容器。本专利技术中，所得的柔性器件在弯折变形曲率为Rlmm RlOOmm的范围内仍能保持 95% 100%的电容量。本专利技术的有益效果是1、本专利技术提出了一种柔性电极材料的设计思路。将具有高储能特性的纳米活性材料复合于具有良好柔性的纤维材料中，形成具有三维连通网络结构的纳米复合材料。其中， 纤维材料形成的三维连通网络提供了良好的机械性能和柔性，纳米活性材料形成的三维连通网络提供了良好的电子导电通路和高比表面积的表面活性位，这种三维连通网络结构使得复合材料中的纳米活性材料的高储能性和纤维材料的柔韧性都得到了充分的利用。2、本专利技术提出的柔性纳米复合材料，由于具有一定的机械强度和良好的导电性， 除了作为储能器件的电极材料，其本身还可以作为储能器件中的集流体，且不需要额外添加粘结剂，从而大大提高了储能器件的单位质量比容量。3、本专利技术通过结合纳米活性材料的高储能特性和柔性纤维材料的优良柔性，将纳米活性材料与柔性纤维进行复合，形成具有三维连通网络结构的柔性纳米复合材料，将这种柔性纳米复合材料同时作为电极材料和集流体，组装成了柔性储能器件。这种柔性储能器件在弯折条件下仍然具有较高的比容量，与未弯折时的比容量相当，有望应用在未来的柔性器件领域。4、本专利技术提出的纳米复合材料中使用的纤维材料具有较强的吸液能力，能够作为电解液的储存库和电解液离子的传输通道，有利于电解液离子在复合材料中的扩散，有效提高倍率性和功率密度。5、本专利技术提出的柔性储能器件在使用固体电解质的情况下可以无需封装，直接集成在电路板或贴于柔性电子产品和服装等表面，使用便利。6、本专利技术提出的纳米复合材料中使用的纤维材料为商业用纸或织物纤维，成本低廉且简单易得，使得这种柔性储能器件的制作简单便宜，有望与服装结合形成可穿戴式的储能器件和便携可抛式的储能器件。附图说明图1为柔性纳米复合材料的结构示意图。图2为柔性储能器件的组装示意图。图3为柔性储能器件在不同扫描速率下的循环伏安曲线。图4为柔性储能器件的弯折前后的循环伏安曲线。图5为柔性储能器件的循环寿命曲线。具体实施例方式以本专利技术柔性纳米复合材料作为电极材料和集流体组装成超级电容器，测试了该器件的电化学性能。下面结合实施例对本专利技术加以说明实施例1通过超声分散法或搅拌分散法，将石墨烯(1 50层)溶解在NMP (氮甲基吡咯烷酮)溶液中，形成稳定的石墨烯溶液(溶液浓度0.01 lmg/mL)；本实施例中，溶液中石墨烯的浓度为0. 03mg/mL。采用商用滤纸(中速定性滤纸)作为过滤介质，用真空抽滤法过滤300mL石墨烯溶液，反复过滤至黑色石墨烯溶液变为无色，将滤纸取出在120°C下干燥12小时，得到石墨烯/纸纳米复合材料。本实施例石墨烯/纸纳米复合材料中，石墨烯占复合材料的质量百分比为7. 5%， 其余为纸纤维；复合材料为半径18mm，厚度200 μ m的圆片。将得到的纳米复合材料裁剪成圆片(直径为13mm)作为电极片，以Au片作为集流体，以IM硫酸作为电解质，以商用滤纸作为隔膜，组装成实验室模拟的三明治结构对称型超级电容器。本实施例中，复合材料的拉伸强度为8MPa，延伸率为6%，方阻为800 Ω/m2，以IM 硫酸作为电解液时(电压为IV)，质量比容量可达120F/g，面积比容量可达0. 08F/cm2(lmV/ s)，能量密度为0. 9 4. 2ffh/kg或2. 4 11. 2 μ ffh/cm2,功率密度为15 126本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：成会明，翁哲，李峰，苏阳，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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