[发明专利]一种镍钴氧化物柔性电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种镍钴氧化物柔性电极及其制备方法和应用，属于自供电传感系统领域。镍钴氧化物柔性电极的制备方法，包括如下步骤：(1)将碳纤维布剪成一定尺寸的矩形条，清洁碳纤维布表面；(2)柔性基底的亲水碳纤维布CF的制备；(3)CF@NiCo‑precursor柔性电极的制备；(4)镍钴氧化物柔性电极CF@NiCoO₂@N‑C的制备。并提供了基于镍钴氧化物柔性电极的超级电容器以及可穿戴的葡萄糖传感器的应用。本发明基于CF@NiCoO₂@N‑C制备超级电容器以及葡萄糖传感器的过程简单、性能优异且成本低，具有高的经济效益。

技术领域

本发明涉及一种镍钴氧化物柔性电极及其制备方法和应用，属于自供电传感系统领域。

背景技术

随着人类生活水平的逐年上升和信息科技的不断发展，人类健康问题引起了的社会的普遍关注及时了解实时身体状态成为人们的迫切需求^[1-3]。与传统的医疗方式不同，如今的可穿戴技术具有便携、远程、和实时监测的特点，正在逐步改变医疗诊断方式，同时也为人们提供了实时快捷掌握自身各项健康数据的途径^[4-5]。

在如今人类的迫切需求下，未来的电子设备一定是可扭曲、可形变的，并将应用在当今刚性的电子设备无法涉及的领域^[6-8]。随之而来的对于具有灵活性，重量轻，高安全性的储能设备需求也大量增加。具有高灵活性，高能量和功率密度的电化学能量存储系统的设计和制造主导着当前的大多数可再充电能量存储市场。常规的基于锂离子的电池(LIB)存在笨重、刚性的缺陷，因此不适用于便携式/可穿戴电子产品。而且，锂离子电池产生的热量会影响人体皮肤，从而限制了其在可穿戴设备中的使用。在电化学储能领域中，超级电容器作为有前途的能量存储之一，由于其快速的充电/放电能力和长的循环寿命而引起了学术界和工业领域的极大兴趣^[7-9]。此外，全固态超级电容器的出现很容易满足作为可穿戴电子设备的灵活性和各种变形(例如弯曲和扭曲)的需求。储能性能也是影响可穿戴电子设备使用的关键因素。超级电容器具有与传统电容器不同的机理，因此具有远超传统电容器的能量密度。传统的二次电池，例如锂离子电池是基于锂离子的嵌入脱出而存储能量，在高电流密度下容量相对较低，因此具有更高功率密度的柔性超级电容器成为了研究人员关注的热点^[10-14]。

柔性超级电容器具有机械柔性好、功率密度高、循环寿命长、充放电速度快、重量轻、体积小、安全性高、电极材料和器件结构多样化等优点，基本满足小型柔性电子产品的要求。但是相对于柔性锂离子电池来说，柔性超级电容器本身的能量密度过低，电压窗口小，限制了它的大规模推广和使用，而柔性超级电容器的电化学性能主要由柔性电极来决定。因此，设计开发具有高性能的柔性电极尤为重要。

金属氧化物，如氧化钌(RuOx)，氧化锰(MnOx)，氧化镍(NiOx)，氧化钴(CoOx)，氧化铁(FeOx)和氧化钛(TiO₂)等应用在超级电容器中展现出比常规碳材料更高的能量密度。同时，基于金属氧化物的无酶葡萄糖传感器具有比电化学酶葡萄糖传感器更低的成本、更好的稳定性，能适应更广泛的应用环境，是具有应用前景的无酶葡萄糖传感器电极材料^[10,15]。但是，大多数金属氧化物属于半导体或绝缘体，其较低的导电性限制了单一金属氧化物在电化学领域的应用。

双金属氧化物中的离子具有多种价态，能参与法拉第反应，且具有比单金属氧化物更好的电导率。对双金属氧化物的合成方法、元素组成和比例进行合理设计构筑，可望同时发挥两种单金属氧化物优点。进一步将具有高比表面积的柔性导电基体与双金属氧化物进行复合，在提高电极整体导电性和活性面积的同时使材料兼具柔性，可望实现具有高功率密度，高能量密度，高稳定性和高葡萄糖检测能力的柔性金属氧化物基无酶传感器电极材料的创制和可控构筑。