智能超级电容器的电极及其制造方法、智能超级电容器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能够显示电容器电量及能量存储状态的智能超级电容器的电极及其制造方法、智能超级电容器。
【背景技术】
[0002]超级电容器是一种介于电池和传统电容器的低碳经济储能产品，也叫电化学电容器，是一种新型、高效、实用的，兼备电容和电池的新型元件，具有能量密度高、循环寿命长、温度特性好等优点，具有广阔的应用前景，并蕴藏着巨大的经济效益。超级电容器根据电极材料不同可以分为碳电极电容器、金属氧化物基电容器和导电聚合物基电容器。根据储存静电能量机理不同可分为双电层电容器和赝电容(或称法拉第准电容)电容器。前者电极材料主要为多孔碳材料；后者电极材料为金属氧化物和导电聚合物，以活性物质表面及体相中的二维或准二维空间上发生高度可逆的氧化还原反应的形式存储能量。
[0003]在超级电容器中，电极材料是关键，它决定着超级电容器的主要性能指标。目前，超级电容器的研究主要集中在高性能电极材料和电解质的制备上。在科学和技术领域上，使器件在智能和交互模式下工作是当前主要趋势之一。而使超级电容器可以在智能模式下工作是很让人期待的，比如说，能直观明了的显示超级电容器的能量存储状态。目前，这种智能超级电容器未见文献报道。
【发明内容】
[0004]为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种智能超级电容器的电极，其中，所述电极包括由透明导电材料形成的基底、形成在所述基底之上的图案层以及形成在所述图案层之上的背景层，所述图案层和所述背景层由不同的电致变色材料形成。
[0005]进一步地，所述图案层采用的电致变色材料为W18O19,且其对应的背景层采用的电致变色材料为聚苯胺；或者所述图案层采用的电致变色材料为掺杂钥的三氧化钨，且其对应的背景层采用的电致变色材料为聚苯胺；或者所述图案层采用的电致变色材料为二氧化钛，且其对应的背景层采用的电致变色材料为氧化镍；或者所述图案层采用的电致变色材料为三氧化二铑，且其对应的背景层采用的电致变色材料为四氧化三钴。
[0006]进一步地，所述背景层采用的电致变色材料为W18O19,且其对应的图案层采用的电致变色材料为聚苯胺；或者所述背景层采用的电致变色材料为掺杂钥的三氧化钨，且其对应的图案层采用的电致变色材料为聚苯胺；或者所述背景层采用的电致变色材料为二氧化钛，且其对应的图案层采用的电致变色材料为氧化镍；或者所述背景层采用的电致变色材料为三氧化二铑，且其对应的图案层采用的电致变色材料为四氧化三钴。
[0007]进一步地，所述基底采用的所述透明导电材料为FT0、ΙΤ0、碳纳米管或石墨烯。
[0008]进一步地，所述图案层包括数字图案、字母图案、汉字图案、花纹图案或者它们之中至少两种图案的组合。
[0009]本发明的另一目的在于提供一种上述的智能超级电容器的电极的制造方法，包括:在由透明导电材料形成的基底上形成图案基层；对所述图案基层进行图案化处理，以形成图案层；；在所述图案层上形成背景层；其中，所述图案层和/或所述背景层由电致变色材料形成。
[0010]本发明的又一目的在于提供一种智能超级电容器，包括相对设置的两个电极及填充在该两个电极之间的电解液，其中，所述电极为上述的智能超级电容器的电极。
[0011]本发明的智能超级电容器的电极及其制造方法、智能超级电容器，图案层和背景层由不同的电致变色材料形成，能够指示智能超级电容器的电容器电量及能量存储状态，有效地赋予智能超级电容器智能性和交互性，为用户操控智能超级电容器提供了最直观的视觉感受。
【附图说明】
[0012]图1是根据本发明的示例性实施例的智能超级电容器的结构示意图。
[0013]图2是根据本发明的示例性实施例的智能超级电容器的电极制造方法。
【具体实施方式】
[0014]以下，将参照附图更充分地描述本发明的示例性实施例，其示例在附图中示出。然而，可以以许多不同的形式实施示例性实施例，并且本发明不应被解释为局限于在此阐述的示例性实施例。相反，提供这些示例性实施例可使得本公开将会彻底和完整，并可完全地将示例性实施例的范围传达给本领域的技术人员。
[0015]图1是根据本发明的示例性实施例的智能超级电容器的结构示意图。
[0016]参照图1，根据本发明的示例性实施例的智能超级电容器100包括相对设置的两个电极110及填充在该两个电极110之间的电解液120。每个电极110包括由透明导电材料形成的基底111、形成在基底111与电解液120之间的背景层112以及形成在背景层112与基底111之间的图案层113，其中，图案层113和背景层112由不同的电致变色材料形成，用于指示智能超级电容器100的电容器电量及能量存储状态，且有效地赋予智能超级电容器100智能性和交互性，为用户操控智能超级电容器100提供了最直观的视觉感受。这里，需要说明的是，电致变色是指材料的光学属性(例如反射率、透过率、吸收率等)在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。具有电致变色性能的材料称为电致变色材料。
[0017]当外加电压Vc加到智能超级电容器100的两个电极110上时，与普通电容器一样，电连接到正电极的电极110存储正电荷，电连接到负电极的电极110存储负电荷，在智能超级电容器100的两个电极110上电荷产生的电场作用下，在电解液120与电连接到正电极的电极110之间的界面上形成负电荷，而在电解液120与电连接到负电极的电极110之间的界面上形成正电荷，以平衡电解液120的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，因而具有比普通电容器更大的容量。当两个电极I1之间电势低于电解液120的氧化还原电极电位时，电解液120界面上电荷不会脱离电解液，智能超级电容器100为正常工作状态；而当智能超级电容器100两端电压超过电解液120的氧化还原电极电位时，电解液120将分解，智能超级电容器100非正常状态。
[0018]此外，优选的，图案层113可包括数字图案、字母图案、汉字图案、花纹图案或者它们之中至少两种图案的组合。但是，本发明并不局限于此，例如图案层113也可包括颜色刻度标识，以指示智能超级电容器100的电容器电量及能量存储状态。
[0019]在本实施例中，当智能超级电容器100的电压变化时，背景层112所采用的电致变色材料呈现的颜色与图案层113所采用的电致变色材料呈现的颜色不同，即能够清晰地分辨出背景层112和图案层113。下面将对基底111、背景层112以及图案层113所采用的材料作详细的说明。
[0020]〈一〉
[0021]基底111的材料可为FTO(Fluorine-doped Tin Oxide,氟掺杂锡氧化物)，图案层113的材料可为W18O49，背景层112的材料可为聚苯胺(PANI)，其中W18O49与聚苯胺的电压窗口互补,且均为电致变色材料。
[0022]图案层113所采用的材料W18O49由溶剂热法直接生长在基底111之上，形成W18O49层。在氩气的环境下退火后，通过掩模板曝光、显影或光刻技术将沉积形成的W18O49层图案化(例如可将W18O49层图案化为数字图案、字母图案、汉字图案或者它们之中至少两种图案的组合)，以形成图案层113。然后采用电沉积的方法在图案层113之上沉积形成PANI层，gp背景层112。清洗光刻胶后得到电极110，其结构为基底111/图案层113/背景层112(SP，FT0/ff18049/PANI)o
[0023]经过电化学测试，基底111与图案层113 (即，FT(VW18O49)的电化学活性区间为-0.5?0V，基底111与背景层112 (S卩，FT0/PANI)的电化学活性区间为O?0.8V，二者工作电位窗口互补，FT0/W180