[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

说明书

本发明公开了一种光纤超级电容器装置及其充放电状态自监测系统、方法，所述装置包括容器和两个光纤电极，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，容器内充满电解液；所述系统包括光源、起偏器、偏振控制器、环形器、光纤超级电容器装置、光纤光谱仪和电化学工作站，两个光纤电极分别与电化学工作站连接，光纤光谱仪与环形器连接，环形器与刻有倾斜光纤光栅的光纤电极连接。本发明通过光纤取代传统电极基底材料，实现具有充放电状态实时原位监测能力的微型化、长距离光纤超级电容器装置。

技术领域

本发明涉及一种超级电容器装置，尤其是一种光纤超级电容器装置及其充放电状态自监测系统、方法，属于光纤电化学传感器设计领域。

背景技术

随着近些年来便携式电子产品和混合能源汽车市场的快速发展，大力发展环境友好型的高性能储能器件成为了当今世界经济可持续发展的重要课题之一。超级电容器作为一种新型绿色能源存储器件，在众多领域展示出其巨大的应用潜力或前景。超级电容器，也称电化学电容器，其工作原理是利用电极表面形成的双电层或发生的二维或准二维法拉第反应存储电能。研究领域涉及能源、材料、化学及电子器件等，成为交叉学科的研究热点之一。

纤维状超级电容器具备独特的一维结构，不但具有超级电容器高功率密度、快速充放电和长循环寿命等优势，与传统柔性平面型超级电容器相比更容易满足微型化、集成化和柔性化的可穿戴需求。纤维状超级电容器与传统平面型超级电容器的工作机理相同，大体上可分为双电层储能机制和赝电容储能机制(也叫“法拉第储能机制”)。如何进一步提高电容器工作效率是目前急需解决的重要问题。比如，人们迫切需要发展能直观、实时反映其工作状态的超级电容器，在电容器的性能下降到损坏之前提醒使用者及时更换，实现器件的高效、安全运行，但迄今为止这样的智能超级电容器鲜见报道。光纤是一种兼具传感与通信功能的纤维载体，如果将超级电容器集成到光纤传感器上，既满足了纤维状超级电容器的独特柔性微型结构要求，又能通过观测光纤传感器的光学信号变化来实时监测电容器的工作状态。

发明内容

本发明的第一个目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种光纤超级电容器装置，该装置结构简单、易于实现且能直观反映、实时在线监测当前光纤超级电容器装置自身的工作状态，光纤超级电容器装置利用兼具传感与通信功能的光纤载体，在光纤表面镀上一层纳米尺度厚度的金属膜，这层金属膜既可充当电容器电极的导电基底，又用于光纤有效激发表面等离子体共振波，从而实现实时原位监测电电器的充放电工作状态。

本发明的第二个目的在于提供一种上述光纤超级电容器装置的充放电状态自监测系统，该系统可植入狭小空间结构实现现场原位测量，同步实时地对多个变化参量进行测量，如荷电状态、电流大小、电容器温度等信息；此外，该系统还继承了光纤低损耗的传输特点，整个光路和超级电容器装置的电极均集成在一根光纤内实现，可实现远距离在线实时监测。

本发明的第三个目的在于提供一种上述光纤超级电容器装置的充放电状态自监测方法。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

光纤超级电容器装置，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。

进一步的，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。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：