[发明专利]一种可刮涂的柔性电容器电极墨水及其制备方法

说明书

一种可刮涂的柔性电容器电极墨水，其包含导电高分子的分散液和高粘度添加剂，其特征在于：所述高粘度添加剂为高浓度纳米碳材料分散液，且所述高浓度纳米碳材料分散液中碳材料的质量分数大于5％，所述导电高分子的分散液选自聚3,4‑乙撑二氧噻吩与聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)的分散液、或聚苯胺的分散液、或聚吡咯的分散液。所述柔性电容器电极墨水可通过刮涂工艺覆于柔性基体上，从而实现电极材料的快速制备。

技术领域

本发明涉及电极墨水及其制备方法，具体地，其涉及一种包含导电高分子和高粘度添加剂的电极墨水的制备方法，所制得的电极墨水可通过刮涂工艺涂覆于柔性基材上制备柔性电极材料。

背景技术

柔性电容器作为一种新型的能量存储形式，具有功率密度大、充放电倍率高、循环寿命长、耐温性好等优点，可广泛用于柔性/可穿戴电子器件。决定柔性电容器性能的关键因素是电极材料。

近年来，使用导电聚合物掺杂导电粒子制成的复合材料作为柔性导电材料成为行业趋势，其主要原因在于：导电聚合物在具有聚合物本征柔性的同时，具有半导体至导体之间的电导率；经导电填料掺杂后的导电高分子材料具有导体的性质，并且相对于金属导体，基于高分子材料的导体具有易成型、成本低的特点。而纳米碳材料主要包括石墨烯、碳纳米管、C₆₀、多孔碳等材料，上述碳材料具有良好的导电性能，其与导电高分子结合制备的复合材料中，二者的协同效应可以改善电子在界面处的传输效率，提高了材料的比容量，同时碳材料为导电高分子材料提供机械支撑和导电通道，可以充分缓解导电高分子在充放电中体积膨胀和收缩时产生的应力，赋予材料优异的柔韧性，提高材料的稳定性。

目前，使用以导电聚合物和碳材料为主体的复合材料制备电极材料的工艺主要为，将导电聚合物溶于适当的溶剂中，将纳米碳材料分散于其中制成电极墨水，然后主要采用印刷、旋涂、喷涂等工艺将墨水附着在柔性聚合物基体上，然而，在这些工艺中，悬浮液中的有效成分的含量低，导致溶剂浪费严重、电极制备效率低；印刷、喷涂和旋涂对设备要求高，增加了材料生产成本；碳纳米管悬浮液稳定性欠佳，容易造成其在电极材料中分布不均、并可能造成设备失效。刮涂是采用刮刀制得涂膜的一种涂装方式，其工艺简单，对设备要求低，可以实现大面积快速涂装，应用于电极材料的制备可以极大地提高电极制备效率。实现刮涂的关键因素是电极墨水的粘度。

香港理工大学Qin Yang等人制备了碳纳米管/聚(3,4-二氧乙基)噻吩-聚苯乙烯磺酸(MWCNTs/PEDOT-PSS)分散液，并将其涂覆在铂片上烘干，制备MWCNTs/PEDOT-PSS电极。其首先，制备了8mg/ml的碳纳米管在乙醇/甲醇中的分散液；再将3.5％PEDOT:PSS溶液加入碳纳米管分散液中超声混合制得均匀混合溶液；最后，将混合溶液涂于铂片集流体，于180℃下干燥30min得到电极。但其中所使用的电极墨水由于粘度较低，无法与刮涂工艺结合，且超声分散在工业化中应用较少，该技术方案难以工业化。

CN102250324B号专利公开了一种通过原位聚合法制备聚(3,4-二氧乙基)噻吩(PEDOT)包覆碳纳米管复合材料的方法，其通过在有机溶剂、表面活性剂、水三相体系中，加入氧化剂溶液、碳纳米管分散液和(3,4-二氧乙基)噻吩(EDOT)单体，通过原位化学聚合法得到。然而，该方法所制备的导电复合粉末在制备电极墨水时存在再分散的问题，由于分散后悬浮液稳定性欠佳，难以使用刮涂工艺进行进一步的应用。

CN102337054A号专利申请中提出了一种基于碳纳米管的透明导电薄膜的制备方法，其将一种或多种CNTs分散在包含导电聚合物的第一溶液中形成稳定的悬浮液，然后将该悬浮液与包含所述导电聚合物和至少一种功能添加剂的第二溶液混合以形成具有期望的CNTs与聚合物比值的稳定的油墨。所制得的油墨可以通过刮涂的方式涂覆于柔性基体上。所述油墨中碳纳米管的含量为1ppm到4wt％，为了提高油墨与柔性基体的附着力通常需要在第二溶液中添加增粘剂，增粘剂的使用一方面使电极墨水的成分复杂，另一方面会影响电极材料的导电性，在后期也可能对材料稳定性造成影响。