一种弹性凝胶超级电容器及其制备方法与流程

本发明属于光电材料与器件技术领域，特别涉及一种弹性凝胶超级电容器及其制备方法。

背景技术：

电化学储能在可再生能源管理中发挥着重要作用，特别是对于中小型基础设施和便携式电子设备。在过去的十年中，对新的电化学储能化学和材料的探索得到了进一步发展。其中，导电聚合物（cps）因其固有的导电性能够为电力应用提供有效的电荷传输。但是目前很少有导电聚合物材料符合高表面积导电完成双电层电荷传输（edlc），目前对cps的探索中，其形貌难以控制和氧化还原储能能力差等局限性使其高性应用难以开发。所以目前具备高比表面积的cp介孔框架，将cp界面上的电双层电荷储存与聚合物链发生的氧化还原电荷存储相结合，并且在应用层面上为阴极提供保护的电荷存储器件还不存在。

技术实现要素：

为了更好的满足未来可穿戴电子产品的发展，本发明提供一种综合性能优异的高性能弹性凝胶超级电容器及其制备方法。该凝胶电极能同时实现优异的光电性能、弹性，表面平整、低成本制作以及形状厚度可控。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种弹性凝胶超级电容器，该超级电容器结构为两层凝胶电极之间通过电解质贴附，其中：凝胶电极含有导电聚合物、醇类有机溶剂及酸溶液；电解质为酸性或中性电解质。

优选地，所述导电聚合物是聚3,4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐（pedot:pss）、聚吡咯（ppy）或聚苯胺（pani），所述醇类有机溶剂是二甘醇（deg）或者乙二醇（eg）。

优选地，所述酸溶液为体积分数为90~99％的浓硫酸、浓盐酸或浓磷酸。

优选地，所述酸性电解质是聚乙烯醇和磷酸的水溶液，所述中性电解质是licl溶液。

优选地，所述酸性电解质中聚乙烯醇、磷酸和水的质量比1:1:10。

一种弹性凝胶超级电容器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

（1）将导电聚合物与醇类有机溶剂的混合溶液置于含有酸溶液的模具中，通过加热注塑成型法合成凝胶电极；

（2）将合成的凝胶电极进行退火处理；

（3）取退火后的产物凝胶电极两个，并在两个凝胶电极之间涂布电解质，组装成超级电容器。

优选地，所述步骤（1）中，混合溶液中导电聚合物的质量是醇类有机溶剂的质量的1~3倍。

优选地，所述步骤（1）中，酸溶液为体积分数为90~99％的浓硫酸、浓盐酸或浓磷酸。

优选地，所述步骤（2）中，退火处理的退火温度为80~120℃，退火时间为30~120min。

优选地，所述步骤（3）中，涂布电解质的方式是棒涂、刮涂或丝网印刷。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）弹性凝胶超级电容器结构为凝胶电极/电解质/凝胶电极。其中凝胶电极组分包括导电聚合物、醇类有机溶剂及酸（体积分数为90~99％的浓硫酸、浓盐酸或浓磷酸）；电解质类型为酸性或中性电解质，制得介孔纳米尺寸的导电凝胶框架，为超级电容器储存电荷提供大的比表面积。该超级电容器综合性能优异，具体表现为电化学储能性能优异、弹性强以及稳定性好；

（2）本发明通过简易的物理掺杂方式制备弹性凝胶超级电容器，制备方法简易，可有效降低制作成本，适于大规模生产，通过特制模具可以实现电极的图案化制作及形状与尺寸的调节，并通过退火后处理条件的控制，可获得综合性能优异的超级电容器，特别适用于未来柔性、便携可穿戴电子产品的应用。

附图说明

图1是本发明的弹性凝胶超级电容器的扫描电镜图。

图2是本发明的弹性凝胶超级电容器的循环伏安测试。

图3是本发明的弹性凝胶超级电容器的恒电流充放电测试。

图4是本发明的弹性凝胶超级电容器的阻抗谱图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例1

将1g的pedot:pss（ph1000）和1g的deg在烧杯中均匀混合制得混合溶液。在直径为3cm的圆柱型闭合模具中加入5ml浓硫酸（98％）溶液备用。使用滴管将上述烧杯中的混合溶液一次性快速滴加到含有硫酸溶液的模具中。待混合溶液逐渐浸入硫酸溶液后，将模具密封并置于90℃的油浴中24小时。将凝胶产物从模具中取出并置于恒温加热台上，以90℃的温度加热30min退火，由此制得凝胶电极。然后进行酸性电解质的制备：将1gpva和1gh3po4加入到10ml去离子水中，在95℃下加热直至溶液变成均匀的透明凝胶溶液，由此制得酸性凝胶电解质。最后将上述电解质均匀地涂覆在两个相同的凝胶电极的中间。在空气中干燥后，获得弹性凝胶超级电容器。

本实施例制得的弹性凝胶超级电容器其凝胶电极呈现大比表面积的褶皱状微观形貌，如图1；循环伏安曲线呈近矩形，表明其电容性能较为理想，如图2；储能性能优异，比电容达227mfcm^-2，如图3；另外，其器件电阻较低，如图4。

实施例2

将1g的pedot:pss（ph1000）和0.5g的deg在烧杯中均匀混合制得混合溶液。在直径为5cm的长方体闭合模具中加入5ml浓盐酸（98％）溶液备用。使用滴管将上述烧杯中的混合溶液一次性快速滴加到含有盐酸溶液的模具中。待混合溶液逐渐浸入盐酸溶液后，将模具密封并置于90℃的油浴中24小时。将凝胶产物从模具中取出并置于恒温加热台上，以90℃的温度加热30min退火，由此制得凝胶电极。然后进行酸性电解质的制备：将1gpva和1gh2so4加入到10ml去离子水中，在95℃下加热直至溶液变成均匀的透明凝胶溶液，由此制得酸性凝胶电解质。最后将上述电解质均匀地涂覆在两个相同的凝胶电极的中间。在空气中干燥后，获得弹性凝胶超级电容器。

本实施例制得的超级电容器的电化学性能与实施例1中相近，且弹性好，其在压缩数百次后性能无明显衰降。

实施例3

将1g的ppy和1g的eg在烧杯中均匀混合制得混合溶液。在直径为3cm的圆柱型闭合模具中加入5ml浓硫酸（98％）溶液备用。使用滴管将上述烧杯中的混合溶液一次性快速滴加到含有硫酸溶液的模具中。待混合溶液逐渐浸入硫酸溶液后，将模具密封并置于90℃的油浴中24小时。将凝胶产物从模具中取出并置于恒温加热台上，以90℃的温度加热60min退火，由此制得凝胶电极。然后进行酸性电解质的制备：将1gpva和1gh3po4加入到10ml去离子水中，在95℃下加热直至溶液变成均匀的透明凝胶溶液，由此制得酸性凝胶电解质。最后将上述电解质均匀地涂覆在两个相同的凝胶电极的中间。在空气中干燥后，获得弹性凝胶超级电容器。

本实施例制得的超级电容器的电化学性能与实施例1中相近，且弹性好，其在压缩数百次后性能无明显衰降。

实施例4

将1g的pani和1g的deg在烧杯中均匀混合制得混合溶液。在直径为3cm的圆柱型闭合模具中加入5ml浓硫酸（98％）溶液备用。使用滴管将上述烧杯中的混合溶液一次性快速滴加到含有浓硫酸溶液的模具中。待混合溶液逐渐浸入硫酸溶液后，将模具密封并置于90℃的油浴中24小时。将凝胶产物从模具中取出并置于恒温加热台上，以90℃的温度加热60min退火，由此制得凝胶电极。然后进行酸性电解质的制备：将1gpva和1gh3po4加入到10ml去离子水中，在95℃下加热直至溶液变成均匀的透明凝胶溶液，由此制得酸性凝胶电解质。最后将上述电解质均匀地涂覆在两个相同的凝胶电极的中间。在空气中干燥后，获得弹性凝胶超级电容器。

本实施例制得的超级电容器的电化学性能与实施例1中相近，且弹性好，其在压缩数百次后性能无明显衰降。

实施例5

将1g的pani和0.5g的deg在烧杯中均匀混合制得混合溶液。在3cm的圆柱型闭合模具中加入5ml浓硫酸（98％）溶液备用。使用滴管将上述烧杯中的混合溶液一次性快速滴加到含有浓盐酸溶液的模具中。待混合溶液逐渐浸入硫酸溶液后，将模具密封并置于90℃的油浴中24小时。将凝胶产物从模具中取出并置于恒温加热台上，以100℃的温度加热120min退火，由此制得凝胶电极。然后进行酸性电解质的制备：将1gpva和1gh3po4加入到10ml去离子水中，在95℃下加热直至溶液变成均匀的透明凝胶溶液，由此制得酸性凝胶电解质。最后将上述电解质均匀地涂覆在两个相同的凝胶电极的中间。在空气中干燥后，获得弹性凝胶超级电容器。

本实施例制得的超级电容器的电化学性能与实施例1中相近，且弹性好，其在压缩数百次后性能无明显衰降。

实施例6

将1g的pedot:pss（ph1000）和1g的deg在烧杯中均匀混合制得混合溶液。在直径为3cm的圆柱型闭合模具中加入5ml浓硫酸（98％）溶液备用。使用滴管将上述烧杯中的混合溶液一次性快速滴加到含有硫酸溶液的模具中。待混合溶液逐渐浸入硫酸溶液后，将模具密封并置于90℃的油浴中24小时。将凝胶产物从模具中取出并置于恒温加热台上，以90℃的温度加热30min退火，由此制得凝胶电极。然后进行中性电解液的制备：将0.85glicl加入到10ml去离子水中，搅拌均匀形成浓度为2m的licl溶液，由此制得中性凝胶电解液。最后将两个相同的凝胶电极置于中性凝胶电解液中，获得弹性凝胶超级电容器。

本实施例制得的超级电容器的电化学性能与实施例1中相近，且弹性好，其在压缩数百次后性能无明显衰降。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。