[发明专利]一种基于织物的自集成型柔性超级电容器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于织物的自集成型柔性超级电容器及其制备方法。该超级电容器包括织物基凝胶聚合物复合材料以及在复合材料两面丝网印刷的纳米碳材料电极，并且电极在复合材料两面对应位置交错排布。其制备方法为：将织物基材浸渍在聚乙烯醇‑氢氧化钾凝胶电解质中，轧辊压出织物基材中的多余电解质并烘干，重复数次得到织物基凝胶聚合物复合材料；在复合材料两面丝网印刷纳米碳材料电极，固化后在电极对应处涂覆聚乙烯醇‑氢氧化钾凝胶电解质得到自集成型柔性超级电容器。本发明的柔性超级电容器具有优异的电化学性能和高面积比容量，在循环弯曲和动态弯曲状态下均具有较好的稳定性和柔性，并且其制备方法简单易行、成本低、可规模化生产。

技术领域

本发明涉及一种基于织物的自集成型柔性超级电容器及其制备方法，属于纺织技术领域。

背景技术

随着可穿戴电子设备在医疗保健、通讯等领域的广泛应用，研发具有便携性、耐用性、成本效益的柔性超级电容器受到越来越多的关注。超级电容器因其长循环寿命、高安全性和高功率密度而被认为是具有前景的储能设备。在超级电容器的电极制备技术中，丝网印刷与溅射、过滤沉积和化学气相沉积方法相比，具有成本低、简单、基材兼容性广等优点，在柔性电极的规模化生产上显示出巨大的潜力。此外，定制的丝网印刷图案可用于制造不同形状的电极，在柔性超级电容器和电子产品中展示出较大的发展空间。

超级电容器的常规电极配置结构包括三明治结构和共面结构。由于结构简单、成本低，三明治结构在传统固体电容器和柔性超级电容器中被广泛采用。比如专利CN108766778A公开了一种三明治结构的柔性全固态透明超级电容器的制备方法，通过在柔性衬底上沉积金属纳米线和导电聚合物作为电极，然后添加电解质并将两片电极压合组装成超级电容器。然而，在三明治结构超级电容器在循环弯曲变形下，通常能够观察到不同层材料之间的位移，这不利于超级电容器的储能过程和稳定性。相比之下，电极的共面配置可以减轻不良位移并提高超级电容器的灵活性和电化学稳定性。专利CN107492455A公开了一种全固态共面非对称柔性微型超级电容器，通过在柔性衬底上借助丝网印刷技术分别印刷电阳极活性浆料和电阴极活性浆料，然后在电极表面涂覆凝胶电解质组装成超级电容器。然而，共面型超级电容器的电极均排布在同一平面，使得电容器设备的面积比电容和能量密度比传统的三明治型超级电容器低，并且在串并联集成后设备的尺寸大幅增加影响便携性和柔性。因此，在保持灵活性和电化学稳定性的同时提高电容器设备的面积比电容和能量密度对于柔性超级电容器的研发来说是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：目前的共面型超级电容器的电极均排布在同一平面，使得电容器设备的面积比电容和能量密度比传统的三明治型超级电容器低，并且在串并联集成后设备的尺寸大幅增加影响便携性和柔性等技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于织物的自集成型柔性超级电容器，该超级电容器包括织物基凝胶聚合物复合材料，以及在复合材料两面相对应的位置丝网印刷的两组交错排布的电极；每一组所述的电极由1个纳米碳材料电极组成或多个纳米碳材料电极以串联、并联或串并联组合的方式集成。所述的交错排布指的是电极首尾两端相错开。

优选地，所述织物基凝胶聚合物复合材料是由织物基材和聚乙烯醇-氢氧化钾凝胶聚合物复合而成。

优选地，所述纳米碳材料电极包括纳米碳活性材料、粘合剂和溶剂；其中，所述的纳米碳材料包括碳纳米管、石墨烯和活性炭中的至少一种，所述的粘合剂包括热塑性聚氨酯和聚偏二氟乙烯中的至少一种，所述的溶剂为N-甲基吡咯烷酮和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。

本发明还提供了上述的基于织物的自集成型柔性超级电容器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1)：在加热搅拌的条件下，将聚乙烯醇颗粒加入去离子水中，充分搅拌后得到透明均匀的聚合物基质；然后在聚合物基质中加入氢氧化钾溶液，继续搅拌得到聚乙烯醇-氢氧化钾凝胶电解质；