[发明专利]一种喷墨打印制备出的堆叠型超级电容器及其制备方法

说明书

本发明公布了一种喷墨打印制备出的堆叠型超级电容器及其制备方法，该电容器为堆叠型超级电容器，在一基底上，依次集成第一层电极薄膜/第二层隔膜/第三层电极薄膜/固体电解液的任意形状堆叠型超级电容器；其制备方法包括以下步骤：(1)喷墨打印电极浆料的制备，(2)氧化石墨烯隔膜浆料的制备，(3)堆叠型超级电容器的制备。本发明所制造的任意形状堆叠型超级电容器能实现形状可控和大规模生产，能够有效与不同种类柔性化、便携化、可穿戴电子器件兼容集成，具有广泛的市场应用前景。

技术领域

本发明属超级电容器的制造技术领域，具体涉及一种喷墨打印制备出的堆叠型超级电容器及其制备方法。

背景技术

随着轻、薄、可弯曲的形状多样的电子设备的快速发展，极大地刺激了人们对新型储能器件的需求。目前的储能器件，例如锂电电池和超级电容器，形状固定，体积大，质量重，很难满足柔性电子设备的要求。此外，由于结构设计和性能的限制，例如需要聚合物粘结剂和额外的导电剂以及厚的隔膜，传统的电源并不能做到形状可控的柔性储能器件。

为了克服上述困难，近年来，平面交叉指型的石墨烯基储能器件引起了广泛的关注，并被认为有望在微型的电子芯片上应用。这种平面结构使得电极、隔膜、电解液和集流体集成到同一个基底上，有利于各组件的组合，储能器件的形状设计。虽然利用多种技术，例如打印、光刻显影、激光刻蚀，能制造出形状多样的平面型超级电容器，但是并不能实现任意形状超级电容器的制造。

本发明公布了在同一基底上制造任意形状堆叠型超级电容器的方法，通过采用喷墨打印的方法在同一个基底上制造任意形状堆叠结构的超级电容器。具体为电极材料即作为集流体又作为活性物质，通过在一基底上打印电极材料浆料具有一定图案形状的第一层电极薄膜层，再在第一层电极上打印出相同图案的第二层氧化石墨烯隔膜层，其作为离子导电和电子绝缘的隔膜，通过打印实现隔膜与电极一体化，从而可以实现任意形状超级电容器的制造；然后在隔膜层上打印与第一层电极相同形状且对称的第三层电极。再注入固体凝胶电解液，封装，得到任意形状堆叠型超级电容器。

发明内容

本发明的目的在于采用喷墨打印的方法在同一个基底上制造任意形状具有堆叠结构的超级电容器，制造过程简单，成本低，具有广泛的市场应用前景。

一种喷墨打印制备出的堆叠型超级电容器，该电容器为在一基底上，依次集成第一层电极薄膜/第二层隔膜/第三层电极薄膜/固体电解液的任意形状堆叠型超级电容器；

所述第一层电极薄膜、第三级电极薄膜材料为：石墨烯或石墨烯复合材料；

所述隔膜为氧化石墨烯；

所述固体电解液为电解液为聚乙烯醇/硫酸(PVA/H₂SO₄)、聚乙烯醇/硫酸钠(PVA/Na₂SO₄)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/二氧化硅固体电解液中的一种。

所述基底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯基底(PET)、聚醚酰亚胺(PEI)、纸张及其他绝缘平面基底。

所述电极薄膜的厚度为0.5-100μm，优选范围为1-10μm；隔膜的厚度为0.1-10μm，优选为2-5μm。

一种喷墨打印制备出的堆叠型超级电容器的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)喷墨打印电极浆料的制备

将石墨烯分散于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，再3000rpm离心30min，取上清液；向得到的上清液中，加入松油醇，上清液和松油醇的体积比为5-20，再旋转减压蒸发DMF；所得到的石墨烯/松油醇按体积比为3:1加入乙醇，得到可以喷墨打印的电极浆料；所述的石墨烯电极浆料浓度为0.1-5mg mL^-1；

(2)氧化石墨烯隔膜浆料的制备