[发明专利]一种基于碳基复合电极的柔性超级电容器及制备方法

说明书

本发明提供了一种基于碳基复合电极的柔性超级电容器及制备方法，属于柔性超级电容器领域。柔性碳纤维作为超级电容器的集流体，蔗糖、氧化石墨烯和PI胶作为碳源，采用激光烧蚀法、热还原法和电化学沉积法，制备了具有多级纳米结构的碳纤维/导电石墨/石墨烯/MnO₂的复合活性电极。利用碳纤维/导电石墨/石墨烯复合电极的高比表面积结合电极表面MnO₂的赝电容效应，实现高电容量的柔性超级电容器的制备。最后结合硅胶柔性封装，使柔性超级电容器具有良好的生物相容性和良好的柔性弯曲性能，提高超级电容器的工作可靠性。

技术领域

本发明属于柔性可穿戴超级电容器领域，涉及一种基于碳基复合电极的柔性超级电容器的制备方法。

背景技术

近年来电子设备正在向着轻薄化和柔性化的方向发展，当前面临的挑战之一是与柔性电子器件相匹配的柔性且轻薄的能源器件。超级电容器具有高功率密度和长循环寿命，在消费电子市场和不间断电源领域得到了广泛的应用，如交通领域在制动过程中快速储存能量。科研人员已经开始尝试用不同的制备方法实现超级电容器的柔性化。Cui等人（Kaempgen M., Chan C. K., Ma J., et al. Printable Thin Film SupercapacitorsUsing Single-Walled Carbon Nanotubes. Nano Lett 2009, 9(5), 1872-1876.）利用碳纳米管分散体的浸没粘附特性，构建了一种基于织物的平面柔性超级电容器。Elkady等人（El-Kady M. F., Strong V., Dubin S., et al. Laser Scribing of High-Performance and Flexible Graphene-Based Electrochemical Capacitors. Science2012, 335(6074), 1326-1330.）利用light-scribe dvd中的激光实现了具有空腔效应的石墨氧化膜还原。

目前超级电容器在柔性化和电容量密度方面还面临挑战，一方面，用单一材料或方法提高超级电容器的比表面积，增大电荷存储密度已经存在瓶颈，同时，满足超级电容器电极对导电性和电荷存储能力等多种性能指标的要求还难以实现。另一方面，在实现超级电容器全柔性化的同时保证使用过程中良好的稳定性也是需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是基于背景技术存在的技术问题而提出的一种基于碳基复合电极的柔性超级电容器及制备方法。

碳纤维作为柔性集流体，具有良好的柔韧性和高导电率。通过对碳纤维集流体表面进行活化修饰，可以提高比表面积和电荷存储密度。利用蔗糖激光碳化提高碳纤维表面的粗糙度，在此基础上通过高温碳化PI胶与氧化石墨烯进一步增大碳纤维表面的比表面积。氧化石墨烯直接附着在碳纤维表面的结合力很弱，容易脱落，利用PI胶溶液可以将片状氧化石墨烯粘结在碳纤维表面，提高电极的稳定性，通过高温退火碳化后，就能在碳纤维表面形成结合牢固的片状石墨烯。在此基础上结合金属氧化物电镀工艺，提高复合电极的电荷存储密度。聚乙烯醇（PVA）溶液中加入磷酸作为交联引发剂，同时作为质子源，引发聚乙烯醇与戊二醛交联，得到凝胶聚合物电解质。该凝胶电解质具有宽电位窗口、宽使用温度范围，绿色无毒等优点，是作为柔性超级电容器的优选材料。聚二甲基硅氧烷PDMS具有良好的柔性、密封性和生物相容性，可以将超级电容器与外界环境隔离，并保持优异的弯折性能，同时对人体皮肤无害。

利用复合材料电极的大比表面积与赝电容效应，同时结合PVA凝胶电解质和柔性PDMS封装材料，得到电荷存储密度高、工作稳定和生物相容性好的柔性超级电容器。

实现本发明目的具体技术方案是：