基于金屬織物的固態(tài)柔性超級電容器及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及超級電容器，尤其是涉及一種基于金屬織物的固態(tài)柔性超級電容器及 其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002] 隨著全球人口和經濟的快速增長，人們對能源的需求不斷增加。然而，傳統(tǒng)的化石 燃料是不可持續(xù)的能源，因此，為了獲得可再生能源，例如太陽能、風能、潮汐能等，全球科 學家們付出相當大的努力，一直致力于開發(fā)新技術。當前面臨的主要挑戰(zhàn)之一是這些可再 生能源是間歇性的，且受到自然環(huán)境條件嚴重制約。而這些可再生資源的區(qū)域分布失衡則 是我們面臨的另一個主要問題。因而，開發(fā)高效率、穩(wěn)定和環(huán)境友好型的儲能裝置對推進可 再生的能源發(fā)展至關重要。
[0003] 超級電容器，或稱為電化學電容器，正在成為一類重要的能量存儲裝置。超級電容 器作為傳統(tǒng)電容器和電池之間的紐帶，起到了重要而獨特的地位。相較于傳統(tǒng)的電容器，所 述超級電容器能量密度高出幾個數(shù)量。此外，超級電容器獨特的電荷存儲機制，使它們能夠 在短時間內存儲和提供大量電荷。因此，它們比電池能提供更高的功率。超級電容器在各 種實際生產中存在潛在應用，包括后備電源系統(tǒng)、電動車輛和混合動力電動汽車和工業(yè)能 源管理系統(tǒng)等。
[0004] 為了滿足便攜式電子設備，如移動電話、可佩戴電子設備和柔性顯示器的快速增 長的需求，發(fā)展高性能、輕質、安全的能源設備是至關重要的。然而，以前的研宄主要集中在 基于液體超級電容器，如用水溶液、有機溶液或離子性液體作為電解質。這些超級電容器 有兩個主要的缺點限制了它們在便攜式電子設備中的應用。首先，大部分的電解質毒性高 和腐蝕性強，所以設備制造時通常采用高成本的包裝材料和技術以避免有可能泄漏的電解 質；其次，由于包裝問題，所以很難采用液體電解質制造小型的、柔性的超級電容器器件。近 幾年，固態(tài)柔性超級電容器已成為一類新的能量儲存裝置并引起極大的關注。相較于傳統(tǒng) 的超級電容器，固態(tài)柔性的超級電容器具有尺寸小、重量低、易處理、可靠性好、操作溫度寬 等優(yōu)點。它們在柔性和可穿戴電子產品的能量儲存裝置中具有巨大的潛力。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于金屬織物的固態(tài)柔性超級電容器及其制備方法 和應用。
[0006] 本發(fā)明采用如下技術方案：
[0007] 所述基于金屬織物的固態(tài)柔性超級電容器，包括2片相同材料的電極和涂覆于2 片電極之間的電解質層；電極的材料為復合物，該復合物為金屬織物上電沉積聚3,4_乙撐 二氧噻吩的復合物，電解質層為凝膠狀電解質層，電解質層的電解質材料為聚合物，該聚合 物為聚偏二氟乙烯-co-六氟丙烯/I- 丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽。
[0008] 所述金屬織物的材料為鐵、銅、鋁中的至少一種。
[0009] 所述基于金屬織物的固態(tài)柔性超級電容器的制備方法，包括以下步驟：
[0010] 1)通過電沉積，在金屬織物上電沉積聚3, 4-乙撐二氧噻吩，得到金屬織物/聚 3, 4-乙撐二氧噻吩復合物，以此作為電極材料；
[0011] 2)在金屬織物/聚3, 4-乙撐二氧噻吩復合物的空隙和表面涂布聚偏二氟乙 烯-co-六氟丙烯/I-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽的凝膠狀電解質材料，得到帶有電解質 的電極；
[0012] 3)將2片由步驟2)得到的帶有電解質的電極組裝在一起，得到基于金屬織物的固 態(tài)柔性超級電容器。
[0013] 在步驟1)中，所述電沉積采用的電聚合溶液按質量比的組成如下：
[0014]溶劑： 100
[0015]單體： 0.1 ~5
[0016] 摻雜劑：0.5~10
[0017] 所述溶劑可為乙腈；
[0018] 所述單體可為3, 4-乙撐二氧噻吩；
[0019] 所述摻雜劑可為三水合高氯酸鋰、氯化鋰或聚苯乙烯磺酸鹽。
[0020] 在步驟1)中，所述電沉積通過電聚合時間的不同，控制聚合物沉積的量，電沉積 的時間可為400~4000s。
[0021] 在步驟2)中，所述凝膠狀電解質為以丙酮為溶劑配制，凝膠狀電解質按質量比的 組成如下：
[0022] 丙酮： 100
[0023] 聚合物： 10~50
[0024] 離子液體：10~30
[0025] 所述聚合物為聚偏二氟乙烯-co-六氟丙烯。
[0026] 所述離子液體為1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽。
[0027] 所述基于金屬織物的固態(tài)柔性超級電容器可在制備柔性可穿戴電子器件的儲能 設備中應用。
[0028] 與現(xiàn)有技術比較，本發(fā)明具有如下突出優(yōu)點：
[0029] 本發(fā)明通過掃描電子顯微鏡（SEM)對電極材料進行結構表征，采用電化學工作站 (CHI660D)分別對電極材料、超級電容器的電化學性能進行測定。證實超級電容器具有很好 的容量保持能力和電化學性能穩(wěn)定。本發(fā)明制備的基于金屬織物的固態(tài)柔性超級電容器， 反應條件溫和，制備工藝簡單，適合大規(guī)模的生產和應用。該超級電容器既具有織物的柔 性，又具備聚3,4_乙撐二氧噻吩的電化學性能，表現(xiàn)出良好的電化學特性和較大的電容， 為發(fā)展可柔性和可穿戴電子產品的能量儲存裝置提供了具有普適性的有效途徑，具有重要 的應用價值。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明實施例1的金屬織物及在金屬織物沉積聚3, 4-乙撐二氧噻吩的掃 描電子顯微鏡（SEM)圖像。其中圖（a)為金屬織物的SEM圖，圖（b)、（c)、（d)分別為不同 放大倍數(shù)的金屬織物/聚（3, 4-乙撐二氧噻吩）復合物的SEM圖像。
[0031] 圖2為本發(fā)明實施例1的金屬織物/聚3, 4-乙撐二氧噻吩復合物電極材料在不同 掃描速率下的循環(huán)伏安曲線。其中曲線a的掃描速率為l〇mV/s，曲線b的掃描速率為25mV/ s，曲線c的掃描速率為50mV/s，曲線d的掃描速率為75mV/s，曲線e的掃描速率為100mV/ s，曲線f的掃描速率為150mV/s。
[0032] 圖3為本發(fā)明實施例1的金屬織物/聚3, 4-乙撐二氧噻吩復合物電極材料在不 同電流下的恒電流充放電曲線。其中曲線a的電流為1mA，曲線b的電流為2mA，曲線c的 電流為4mA。
[0033] 圖4為本發(fā)明實施例1的金屬織物/聚3, 4-乙撐二氧噻吩復合物電極材料的交 流阻抗圖。
[0034] 圖5為本發(fā)明實施例1的超級電容器在不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線。其中曲 線a的掃描速率為10mV/S，曲線b的掃描速率為25mV/s，曲線c的掃描速率為50mV/s，曲線 d的掃描速率為75mV/s，曲線e的掃描速率為100mV/S，曲線f的掃描速率為150mV/s，曲線 g的掃描速率為2000mV/s。
[0035] 圖6為本發(fā)明實施例1的超級電容器在不同電流下的恒電流充放電曲線。其中曲 線a的電流為0. 25mA，曲線b的電流為0. 5mA，曲線c的電流為1mA，曲線d的電流為2mA， 曲線e的電流為4mA。
[0036] 圖7為本發(fā)明實施例1的超級電容器的交流阻抗圖。
[0037] 圖8為本發(fā)明實施例1的超級電容器在不同電流密度下的面積比電容圖。
【具體實施方式】
[0038] 下面給出基于金屬織物的固態(tài)柔性超級電容器（以下簡稱超級電容器）的制備方 法的具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明。
[0039] 實施例1
[0040] 1.將金屬織物切成lcmX5cm大小的電極，用乙醇、去離子水多次超聲，放置烘箱 干燥待用。
[0041] 2.以乙腈為溶液，配制電聚合溶液，具體配方如下：
[0042]乙腈： 50g
[0043]單體： 0? 5g
[0044] 摻雜劑：5g
[0045] 所述單體為3, 4-乙撐二氧噻吩。
[0046] 所述摻雜劑為聚苯乙烯磺酸鹽。
[0047]3.以丙酮為溶劑，配制凝膠狀電解質，具體配方如下：
[0048]丙酮： 50g
[0049]聚合物： 25g
[0050] 離子液體：15g
[0051] 所述聚合物為聚（偏二氟乙烯-CO-六氟丙烯）。
[0052] 所述離子液體為1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽。
[0053] 4.織物電極材料中的聚（3, 4-乙撐二氧噻吩）通過電沉積法制備：以金屬織物 作為工作電極，玻片作為對電極，氯化銀/銀作為參比電極，在恒電流4mA條件下分別聚合 4008、8008、16008、24008、32008，得到五種不同的電極材料，用于實驗。
[0054] 5.超級電容器的制備：分別在金屬織物/聚（3, 4-乙撐二氧噻吩）復合物空隙和 表面涂布一層聚（偏二氟乙烯-co-六氟丙烯）/I- 丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽的凝膠狀 電解質，然后將兩片涂有電解質的織物電極組裝，得到超級電容器。
[0055] 參見圖1~8,本實施例1所得超級電容器用掃描電子顯微鏡（SEM)對電極材料進 行結構表征，采用電化學工作站（CHI660D)分別對電極材料、超級電容器的電化學性能進