[发明专利]基于多孔海绵结构的可压缩超级电容器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，尤其涉及一种基于多孔海绵结构的可压缩超级电容器及其制备方法。

背景技术

随着各种便携式电子设备的快速发展，对于相匹配的能量单元与功能器件的需求日益增加。相比于可充电电池与传统电容器，超级电容器作为一种新兴的能量存储器件，凭借其高功率密度、循环稳定性好以及充放电速度快等优势，具有很好的应用前景，近年来被深入研究。

如今，科研学者针对可穿戴电子以及低功耗系统等应用，在电极材料的柔性以及加工方法方面做了大量的工作，尤其是具有良好稳定性的柔性固态超级电容器，可以避免电解液的泄露，提高器件的安全性与稳定性，并具有良好的电化学性能，得到了广泛的关注。

然而，简单的柔性与可弯折性并不能满足实际应用的需求，尤其是需要器件集成到一个非平面衬底或者有限的空间中时，器件会因压缩变形而性能失效，严重影响器件长期稳定工作，在一定程度上限制了柔性超级电容器在可穿戴电子方面的应用。

最近，科研人员提出了基于三维结构的可压缩超级电容器，可以在高应变的情况下保持电化学性能稳定，具有很好的应用前景，拓宽了超级电容器的应用范围。但是，现有的可压缩超级电容器仍面临很多问题。一方面，其海绵多为碳基物质，力学性能一般，无法承受较大应力，容易塌缩；另一方面，由于使用的一些材料本身为疏水特质，一定程度上妨碍了电解质的渗透，影响了其电化学性能。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于多孔海绵结构的可压缩超级电容器及其制备方法，以实现一种具有优异的力学性能与电学性能的可压缩超级电容器。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于多孔海绵结构的可压缩超级电容器，包括：可压缩电极、固态电解质和柔性隔膜，所述可压缩电极为多孔海绵结构，所述固态电解质渗透在所述可压缩电极中，所述柔性隔膜被夹于两个渗透了所述固态电解质的可压缩电极中间。

进一步地，所述多孔海绵包括固化的柔性聚合物材料。

进一步地，所述固态电解质为凝胶聚合物，所述柔性隔膜为柔性半透膜材料。

进一步地，所述柔性聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷PDMS。

进一步地，所述凝胶聚合物包括聚乙烯醇PVA、磷酸H₃PO₄、硫酸H₂SO₄、氯化锂LiCl中的至少一项。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于多孔海绵结构的可压缩超级电容器的制备方法，包括：

将导电的活性材料液体渗入多孔结构的柔性聚合物材料海绵中，进行烘干处理后得到可压缩电极；

通过磁力搅拌的方法利用凝胶聚合物和去离子水制作固态电解质；

将所述固态电解质滴在所述可压缩电极的表面，至所述固态电解质渗透到所述可压缩电极中，通过应力按压的方式将所述柔性隔膜夹于两个渗透了所述固态电解质的可压缩电极中间，施加一定的应力得到超级电容器。

进一步地，所述的将导电的活性材料液体渗入多孔结构的柔性聚合物材料海绵中，进行烘干处理后得到可压缩电极，包括：

将称量后的碳纳米管CNT与表面活性剂十二烷基苯磺酸钠SDBS混合后，加入到去离子水DI中；

通过水浴超声的方法使CNT与SDBS充分接触，使CNT与SDBS溶解在DI中，得到碳纳米管溶液CNT ink；

通过真空增压的方式将配好的聚二甲基硅氧烷PDMS溶液渗透到易于溶解去除的物质中，加热固化后，将所述易于溶解去除的物质溶解，得到具有多孔结构的PDMS海绵；

通过滴加烘干的方式，将所述CNT ink渗入所述PDMS海绵中，并进行烘干处理，多次渗入烘干后至多孔PDMS海绵中的CNT浓度完全饱和，得到可压缩电极。

进一步地，所述的通过磁力搅拌的方法利用凝胶聚合物和去离子水制作固态电解质，包括：

通过磁力搅拌的方法，将凝胶聚合物加入到去离子水DI中得到凝胶聚合物溶液，在磁力辅助下搅拌所述凝胶聚合物溶液，至所述凝胶聚合物溶液透明，将透明后的所述凝胶聚合物溶液作为固态电解质。

进一步地，所述凝胶聚合物包括聚乙烯醇PVA、磷酸H3PO4、硫酸H2SO4、氯化锂LiCl中的至少一项。