[发明专利]一种多维组装复合薄膜电极及其制备方法和用途

说明书

本发明是一种多维组装复合薄膜电极，该复合薄膜电极是由0维导电聚合物纳米颗粒、1维五氧化二钒纳米线和2维碳纳米片三种材料在微观上相互交织、组装形成互穿网络，成为柔性自支撑薄膜。所制备的自支撑柔性复合薄膜作为电极用于制备固态柔性超级电容器，制备工艺简单，并具有优良的容量、倍率等电化学性能和优异的耐弯折柔性性能。

技术领域

本发明是一种多维组装复合薄膜电极及其制备方法和用途，属于电化学电容器技术领域。

背景技术

随着可穿戴智能设备逐渐进入人们的生活，开发体积小、厚度薄、质量轻、且具有力学柔性的可携带储能器件(电池或电容器)成为一项紧迫的技术需求。超级电容器，又称为电化学电容器，是一种具有高功率密度(快速充放电)、宽温度使用范围(-40～70℃)和长循环寿命(100万次)等优点的新型能量存储器件。柔性超级电容器，因其可在多次弯折、扭曲下仍可保持工作，尤其适合作为可穿戴设备的供能元件。

超级电容器的性能主要决定于电极材料。根据储能机理的不同，超级电容器的电极材料分为双电层电极材料和赝电容电极材料。前者以高比表面积的碳材料为主，依靠的是电极和电解液界面的电荷分离形成双电层来存储电荷。而后者则包括金属氧化物和导电聚合物，依靠的是电极活性物质发生快速可逆的氧化还原反应来存储电荷。通常来说，赝电容器比双电层电容器相比具有更高的比电容值，例如无氧化钌水合物(RuO₂·nH₂O)的比电容值达到了920Fg^-1，但贵金属高昂的费用限制了其在商业中的广泛应用。许多过渡金属氧化物，如MnO₂,V₂O₅,Co₃O₄,NiO,Fe₂O₃已被被广泛研究用于取代氧化钌作为赝电容电极材料。但是这些金属氧化物的导电性大多较低，因此限制了其电荷传递动力学过程。

此外，获得高性能柔性电极是制约柔性超级电容器最重要的因素。通常来讲，一般采用自制撑的碳纳米管或石墨烯薄膜、碳布及其与赝电容材料的复合材料作为柔性电极来制备柔性超级电容器。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术的现状和存在的不足而设计提供了一种多维组装复合薄膜电极及其制备方法和用途，其目的是获得高性能的柔性电极。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明所述的多维组装复合薄膜电极是由0维导电聚合物纳米颗粒、1维五氧化二钒纳米线和2维碳纳米片三种材料在微观上相互交织、组装形成互穿网络，成为柔性自支撑薄膜，多次弯折也不会使电化学性能衰退。

制备高性能柔性电极是获得高性能柔性超级电容器的关键所在。通过实验可以看出，单独采用五氧化二钒纳米线很难获得机械性能良好的自支撑柔性电极；而单独采用导电聚合物或者碳纳米片虽然易于制备自支撑柔性电极，但是局限于储能机理，存储容量无法令人满意。纳米材料是指材料微观形貌上至少在一个维度上是纳米尺寸，包括0维、1维、2维纳米材料等。为获得高性能柔性电极，充分发挥导电聚合物高导电性、五氧化二钒的高容量与碳材料的高稳定性，以及不同维度纳米材料的协同效应，本发明将0维导电聚合物纳米颗粒、1维五氧化二钒纳米线和2维碳纳米片结合起来，通过真空抽滤组装的方式形成柔性薄膜电极。除了材料本身性质，比如导电聚合物的高导电率、柔性、良好成膜性，以及碳纳米材料的高稳定性，与金属氧化物的高理论容量。还结合了不同维度纳米材料的优异协同效应，得到了高性能柔性电极。并测试了其作为超级电容器电极时的性能。该种多维组装的导电聚合物纳米颗粒/五氧化二钒纳米线/碳纳米片复合薄膜电极及其制备和应有至今尚未有报道。

在一种实施中，所述1维五氧化二钒纳米线与2维碳纳米片的质量比为1∶1。

进一步，所述0维导电聚合物纳米颗粒占复合薄膜电极总质量的2～50％。

在一种实施中，所述0维导电聚合物纳米颗粒为聚乙撑二氧噻吩-聚苯乙烯纳米颗粒