[发明专利]光纤超级电容器装置及其充放电状态自监测系统、方法

权利要求书

1.光纤超级电容器装置，其特征在于：包括容器和两个光纤电极，所述两个光纤电极封装在容器内，且两个光纤电极的光纤包层外表面镀有纳米尺度厚度的金属膜，金属膜表面修饰有电极活性材料，其中一个光纤电极内刻有倾斜光纤光栅，且该光纤电极端面镀有微米尺度的反射膜，所述容器内充满电解液。

2.根据权利要求1所述的光纤超级电容器装置，其特征在于：所述倾斜光纤光栅通过准分子激光器及相位掩膜板方式写制而成；倾斜光纤光栅的倾角为5～25度，轴向长度10～20mm。

3.光纤超级电容器装置的充放电状态自监测系统，包括依次连接的光源、起偏器、偏振控制器和环形器，其特征在于：还包括光纤超级电容器装置、光纤光谱仪和电化学工作站，所述光纤超级电容器装置的两个光纤电极分别与电化学工作站连接，所述两个光纤电极的光纤包层外表面镀有纳米尺度厚度的金属膜，金属膜表面修饰有电极活性材料，其中一个光纤电极内刻有倾斜光纤光栅，且该光纤电极端面镀有微米尺度的反射膜，所述光纤光谱仪与环形器连接，所述环形器与刻有倾斜光纤光栅的光纤电极连接。

4.根据权利要求3所述的充放电状态自监测系统，其特征在于：所述光纤超级电容器装置中，刻有倾斜光纤光栅的光纤电极上的金属膜与电化学工作站的工作电极连接，另一个光纤电极上的金属膜分别与电化学工作站的辅助电极、参考电极连接。

5.根据权利要求3所述的充放电状态自监测系统，其特征在于：所述光源的输出光谱为1400～1620nm，所述光源输出光谱的范围与倾斜光纤光栅透射光谱的包络范围相匹配。

6.光纤超级电容器装置的充放电状态自监测方法，其特征在于：所述方法包括：在两个光纤电极的光纤包层外表面镀上纳米尺度厚度的金属膜，在金属膜表面修饰电极活性材料，在其中一个光纤电极内刻有倾斜光纤光栅，且在该光纤电极端面镀上微米尺度的反射膜；光源发出的光依次经过起偏器、偏振控制器和环形器后入射到刻有倾斜光纤光栅的光纤电极中，刻有倾斜光纤光栅的光纤电极中产生的包层模耦合至刻有倾斜光纤光栅的光纤电极的金属膜，激发金属膜表面等离子体共振；等离子体共振波体现在光纤光谱仪的光谱上是一个吸收包络，电解液中的离子在存储释放电量时进入电极活性材料的二维或三维空间发生氧化还原反应导致电极活性材料的折射率发生变化，以及金属膜的介电常数在光纤超级电容器装置充放电时电荷集聚或扩散的作用下发生改变，在二者的共同作用下等离子体共振波吸收包络的幅度会发生相应的变化，从而实现实时原位监测光纤超级电容器装置的充放电工作状态。

7.根据权利要求6所述的充放电状态自监测方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：

S1、将两个修饰电极活性材料的光纤电极封装在密闭的容器内，且两个光纤电极的光纤包层外表面镀有纳米尺度厚度的金属膜，其中一个光纤电极的光纤上刻有倾斜光纤光栅，在容器内充满电解液，光源输出光经过起偏器后转变成偏振光，通过偏振控制器将输入的偏振光的偏振方向调节成与倾斜光纤光栅写制方向相一致；

S2、先搭建光纤超级电容器装置及检测电路，然后搭建光路使该光路处在激发金属膜表面等离子体共振的偏振态下，将光纤超级电容器装置与电化学工作站连接，电化学工作站和光纤光谱仪连接计算机，并控制室内温度到正常恒定温度；

S3、在自然条件下静置光纤超级电容器装置，同时利用光学和电学方法监测光纤超级电容器装置在充放电过程中存储电荷量变化的全过程；

S4、通过用电化学工作站给光纤超级电容器装置进行恒电流充放电来控制光纤超级电容器装置的充放电行为，从而控制在电极活性材料在光纤电极表面发生反应时的折射率变化和电荷密度的改变，以监测光纤超级电容器装置充放电时电量存储和释放的全过程。