一站式超级电容器及其制备方法与流程

本发明涉及电容器技术领域，尤其涉及一种一站式超级电容器及其制备方法。

背景技术：

智能皮肤、计算机/处理器界面、可拉伸电路等便携式和可穿戴式电子器件正成为我们日常生活的一部分。超级电容器作为这些器件能源供应的基本单元显得尤为重要。现有的超级电容器在实际应用过程中总是不可避免地会被意外切割或受到其他机械变形和损坏，更重要的是，这种损坏会使得原本可以拉伸的超级电容器变得不再能被拉伸，最终导致超级电容器性能骤减，甚至报废而丢弃，而丢弃的电容器还无法被降解，给环境带来很重的负担。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种一站式超级电容器及其制备方法，该超级电容器同时具有可自我修复、自我修复后还能再拉伸以及可生物降解等一站式的多功能特性。

一方面，本发明提供了一种一站式超级电容器的制备方法，包括以下步骤：制备溶液：将重量比为1：1：5～6的磷酸、氯化钠和去离子水混合均匀得一溶液；制备电解质：将重量比为4：3～3.5的面粉、所述溶液混合均匀得电解质；制备电极：将重量比为5：2.5～3：1～1.5的所述溶液、活性炭和面粉混合均匀得电极；制备超级电容器：将所述电解质夹在两个所述电极之间得超级电容器。

优选地，所述溶液中磷酸、氯化钠和去离子水的重量比为1：1：5，所述电解质中面粉和所述溶液的重量比为4：3，所述电极中所述溶液、活性炭和面粉的重量比为5：3：1。

优选地，采用一模具将所述电解质挤压成规则形状后再夹在两个所述电极之间。

优选地，采用所述模具将所述电极挤压成所述规则形状后，再将所述电解质夹在两个所述电极之间。

优选地，所述规则形状为方形板状或者圆筒状。

优选地，制备电极时，先将所述活性炭和面粉混合均匀后，再加入所述溶液中混合均匀得所述电极。

另一方面，本发明提供了一种一站式超级电容器，包括电极和电解质，所述电解质夹在两个所述电极之间，所述电极包括重量比为1～1.5:2.5～3:5:5:25～30的面粉、活性炭、磷酸、氯化钠和去离子水，所述电解质包括重量比为4:3～3.5:3～3.5:15～18的面粉、磷酸、氯化钠和去离子水。

优选地，所述电极包括重量比为1:3:5:5:25的面粉、活性炭、磷酸、氯化钠和去离子水，所述电解质包括重量比为4:3:3:15的面粉、磷酸、氯化钠和去离子水。

优选地，所述电解质和每个所述电极的形状、尺寸均一样。

优选地，所述电解质和每个所述电极均呈方形板状或者圆筒状。

本发明提供的超级电容器，可进行内在的和自主的自我修复，自我修复后还能再拉伸，且使用完后还可生物降解，且制备方法简单，所需组分少，成本低，尤其适用于柔性和可植入的电子器件。

附图说明

本发明的进一步的特征将从以下对优选实施例的描述中变得更加清晰明了，所述优选实施例仅通过示例的方式结合附图提供，其中：

图1a是本发明第一实施例中的制备电解质和电极的示意图；

图1b是本发明第一实施例中的超级电容器的自我修复和修复后拉伸的示意图；

图1c是本发明第一实施例中的超级电容器的可生物降解的示意图；

图2ai表示本发明第一实施例中的电解质的拉伸行为；

图2aii表示本发明第一实施例中的电解质经历连续的塑形、剪断、修复、再成形至原始状态和拉伸的行为；

图2bi表示本发明第一实施例中的电极的拉伸行为；

图2bii表示本发明第一实施例中的电极经历连续的塑形、剪断、修复、再成形至原始状态和拉伸的行为；

图2c表示本发明第一实施例中的包含活性炭和面粉的电极的sem图像；

图2d表示本发明第一实施例中的活性炭和面粉的拉曼光谱图；

图3a表示本发明第一实施例中的超级电容器在10mvs^-1～1000mvs^-1之间的多个扫描率下的各cv曲线；

图3b表示本发明第一实施例中的超级电容器在5μa～20μa之间的多个充/放电电流下的各gcd曲线；

图4a为本发明第一实施例中的超级电容器的比电容与10mvs^-1～1000mvs^-1之间的扫描速率的函数关系；

图4b为本发明第一实施例中的超级电容器的比电容与5μa～20μa之间的电流的函数关系；

图5a表示本发明第一实施例中的超级电容器从第0次修复至第40次修复的多个cv曲线；

图5b表示本发明第一实施例中的超级电容器从第0次修复至第40次修复的多个修复效率；

图6表示本发明第一实施例中的超级电容器从第0次修复至第40次修复的多个gcd曲线；

图7a表示本发明第一实施例中的超级电容器自我修复后拉伸0％至拉伸50％的各gcd曲线；

图7b表示本发明第一实施例中的超级电容器电容保持和拉伸应变的函数关系；

图8表示本发明第一实施例中的超级电容器自我修复后拉伸0％至拉伸50％的各cv曲线；

图9为本发明第一实施例中的超级电容器经过修复和修复后不同拉伸应变的照片；

图10a表示本发明第一实施例中的超级电容器在模拟胃液环境中的生物降解过程；

图10b表示本发明第一实施例中的超级电容器营养土壤中的生物降解过程。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点能够更加清楚明了，以下将结合附图以及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应该清楚的是，此处所描述的具体实施例的作用仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

第一实施例

本实施例提供了一种一站式超级电容器，包括电极和电解质，所述电解质夹在两个所述电极之间，其中电极包括重量比为1:3:5:5:25的面粉、活性炭、磷酸、氯化钠和去离子水，所述电解质包括重量比为4:3:3:15的面粉、磷酸、氯化钠和去离子水。本实施例中，所述电解质和每个所述电极的形状均呈长方形板状，尺寸也均一样。

该超级电容器的制备方法，包括以下步骤：

s1制备溶液：将20g磷酸、20g氯化钠和100g去离子水混合均匀得一溶液。

如图1a所示，为制备电解质和电极的示意图。

s2制备电解质：将40g面粉、30g所述溶液混合均匀得电解质。

s3制备电极：将50g所述溶液、30g活性炭和10g面粉混合均匀得电极。本实施例中，先将所述活性炭和面粉混合均匀后，再加入所述溶液中混合均匀得所述电极。

s4制备超级电容器：将所述电解质夹在两个所述电极之间得超级电容器。本实施例中，先采用同一模具将所述电解质、两个所述电极均挤压成长方形板状后，再将所述电解质夹在两个所述电极之间。在其他实施例，也可将所述电解质、两个所述电极挤压成圆筒状。

本实施例通过使用面粉作为电解质和电极的主要材料，保证了超级电容器优异的柔性和自我修复性；使用磷酸和氯化钠作为离子源以提高离子导电率，使用活性炭和面粉结合的方式以提高电极的电子导电率，充分保证了超级电容器的电化学性能。如图1b和1c所示，制得的超级电容器，通过电解质、电极中的面粉和水分子之间形成的氢键，使得超级电容器在经受切割等机械损伤后也能进行本征地和自主地自我修复，且自我修复后也能进行本征地拉伸；当使用完超级电容器后，还能被生物降解。且采用本方法制备超级电容器，不仅制备方法简单，而且所需组分少，成本低。

图2ai表示电解质的拉伸行为，从该图中可以看出，电解质可以成形至任意形状，并能进行高强度的拉伸；图2aii表示电解质经历连续的塑形、剪断、修复、再成形至原始状态和拉伸的行为，从图中可以看出，电解质在剪断后可以自我修复，并能任意揉捏至完全恢复原始形状。更重要的是，对比图2ai中的2图和图2aii中的6图，可以发现，自我修复后的电解质可以拉伸到与原始的电解质拉伸的相同的长度。类似的，电极也显示出了很好的柔性、拉伸性和自我修复性能，如图2bi所示的电极的拉伸行为，图2bii所示的电极经历连续的塑形、剪断、修复、再成形至原始状态和拉伸的行为。这种电解质和电极独特的性能使得最后制得的超级电容器也具有优异的机械稳定性，即不仅能本征地和自主地自我修复，且自我修复后也能进行本征地拉伸。图2c表示包含活性炭和面粉的电极的sem图像，其中比例尺为10um，从图中可看到微米球状的活性炭和纳米球状的面粉，这可从图2d得以验证，图2d示出了活性炭和面粉的拉曼光谱图，其中1358.3cm^-1和1593.4cm^-1处的峰分别代表碳的d谱带和g谱带，1580cm^-1和1100处的谱带分别对应面粉的芳环链振动和碳酸盐的特征。

图3a表示超级电容器在10mvs^-1～1000mvs^-1之间的多个扫描率下的各cv曲线，图3b表示超级电容器在5μa～20μa之间的多个充/放电电流下的各gcd曲线，其中各电化学测试均在室温下进行。图3a和图3b显示出了超级电容器快速可逆的电化学性质，说明采用本方法制得的超级电容器具有良好的导电性和有效的电化学动态过程。随着扫描速率的增加，cv曲线逐渐偏离矩形形状，这主要是由于扩散控制的离子传输在较高的速率下具有较高的离子转移电阻引起的。如图4a和4b所示，为根据图3a的各cv曲线和图3b的各gcd曲线计算的超级电容器的比电容。其中图4a为超级电容器的比电容与10mvs^-1～1000mvs^-1之间的扫描速率的函数关系，从图中可以看出，随着扫描速率的增加，计算的电容逐渐减小。图4b为超级电容器的比电容与5μa～20μa之间的电流的函数关系，同样的，计算的电容也随着电流的增加而减小。其中，根据cv曲线和gcd曲线计算电容的公式如下：

其中i是gcd中的放电电流，t是gcd中的放电时间，u是电压范围，且u＝u+-u-，s是一个电极的面积，v是cv曲线的扫描速率，i(u)是cv中的电流。

图5a表示超级电容器从第0次修复至第40次修复的多个cv曲线，图5b表示超级电容器从第0次修复至第40次修复的多个修复效率，图6表示超级电容器从第0次修复至第40次修复的多个gcd曲线。从图5a和图6可以看出，即使在经过40次的剪切、修复后，超级电容器的cv曲线及gcd曲线都与修复前的曲线基本一致，即修复前和修复后的cv曲线及gcd曲线重合度很高，这表明了本实施例中的超级电容器具有很强的自我修复性能。而从图5b中也可以看出，在所有的剪切、修复过程中，修复效率都在100％左右，其中的略微波动主要是由于实验过程中不可避免的手动连接超级电容器导致的。这些结果都表明了采用均能内在修复的电解质和电极，使得本实施例中的超级电容器即使在经过40次的损坏修复后也能进行自我修复而保证其电化学性质，可自我修复次数多。

图7a表示超级电容器自我修复后拉伸0％至拉伸50％的各gcd曲线，图7b表示超级电容器电容保持和拉伸应变的函数关系，图8表示超级电容器自我修复后拉伸0％至拉伸50％的各cv曲线。从图7a和图8可以看到，即使是自我修复后拉伸至50％，其gcd曲线和cv曲线还是和修复前的曲线相近；而从图7b中可以看到，即使在自我修复后拉伸至50％，其电容还是保持在80％左右，而图中随着拉伸应变的增加电容虽然有略微的减小，但这是由于电极导电性的略微减弱所导致的，是不可避免的。

图9为超级电容器经过修复和修复后不同拉伸应变的照片。从照片中可以进一步地验证，超级电容器在剪断后，可在环境条件和轻微的压力下，通过切割的表面的接触而使得氢键达成一个新的平衡，从而使得超级电容器自我修复至原始状态，且即使进一步拉伸至50％，超级电容器也并未断裂而呈现出很强的自我修复和自我修复后可拉伸的性能，这在以前是从未实现过的。

图10a表示超级电容器在模拟胃液环境中的生物降解过程，图10b表示超级电容器在营养土壤中的生物降解过程，其中黑色的块状物是超级电容器，亮色的块状物是作为对照的塑料。由于本实施例中的超级电容器所使用的原材料都是无毒而且环保的，尤其是大部分都是可生物降解的面粉，是使得本实施例中的超级电容器非常环保和可生物降解。从图10a中可以看出，超级电容器起初还是一个整体，但是几天之后，即分解成很小的碎片，最后就只剩下碳粉了，这是由于模拟胃液中胃蛋白酶对面粉中蛋白质的分解造成的。类似的，营养土壤中的超级电容器也逐渐被分解，这主要是由于土壤中的微生物将超级电容器中的有机物转化为了无机物而达到降解的目的。这充分验证了本实施例中的超级电容器的生物降解性能和绿色环保性。

第二实施例

本实施例与第一实施例相同的部分已经省略，其不同的部分在于：制备超级电容器时，步骤s1中所述溶液由20g磷酸、20g氯化钠和120g去离子水混合均匀制得，步骤s2中，所述电解质由40g面粉、35g所述溶液混合均匀制得，步骤s3中，所述电极由50g所述溶液、25g活性炭和15g面粉混合均匀制得。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。