[发明专利]一种超级电容器柔性自支撑电极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及超级电容器电极技术领域，提供了一种超级电容器柔性自支撑电极的制备方法，包括以下步骤：将比表面积为2000～4000m²/g、粒径为100nm～5μm的多孔炭颗粒与浓度为1～10mg/mL的MXene分散液混合得到混合浆料；其中，多孔炭颗粒与MXene的质量比为19:1～3:1；将混合浆料进行分散，得到混合分散液；将混合分散液涂覆到疏水基底上，进行干燥，移除基底，得到超级电容器柔性自支撑电极。本发明提供的方法得到的柔性自支撑电极具有很好的柔性，并且与传统的高分子聚合物粘结剂电极成型方法相比，以MXene作为导电粘结剂制备的超级电容器自支撑电极具有高的容量和更佳的倍率性能。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极技术领域，尤其涉及一种超级电容器柔性自支撑电极及其制备方法。

背景技术

超级电容器作为一种性能介于电池与传统电容器间的新型能量储存器件，具有功率密度高、充放电效率高、循环稳定性好、绿色环保等特点，在电动汽车、航空航天、不间断电源、日用电子消费品等领域具有广阔应用前景。多孔炭材料比表面积高、孔径可控、价格低廉，是商品化超级电容器最常用的电极活性材料。传统的超级电容器电极制备方法是用含氟聚合物(如PTFE、PVDF等)粘结剂将活性材料与导电剂进行粘结支撑。但是，采用聚合物粘合剂制备炭电极具有明显的局限性：(1)聚合物粘结剂都是绝缘体，其加入会使电极电阻增大，不利于超级电容器的功率性能；(2)粘结剂对电极的容量没有贡献，而且还有可能会堵塞炭材料的部分孔隙，降低了电极的储能密度；(3)含氟粘结剂在焚烧处理中会产生高毒性氟化物，对环境造成严重污染；(4)采用高分子粘结剂将活性材料涂覆或辊压于金属集流体制备的电极虽然强度较好，但通常柔性较差，无法应用于可穿戴和柔性的电子器件。

近年来，过渡金属碳化物或氮化物(也称MXene)，因为具有出色的导电性和机械性能，适用于制备柔性自支撑电极，可应用在便携式储能器件中。专利《一种MXene纸电极及其制备方法和微型超级电容器及其制备方法》中(申请号201810060505.5)将MXene分散液直接通过喷涂技术制备纯MXene柔性纸电极，得到轻薄、柔性好的电极，但是，当MXene材料直接作为活性物质时，二维纳米片层会发生严重的堆叠团聚，暴露的活性位点数大大减少，实际比表面积降低。

为了减少MXene纳米片层团聚的影响，很多相应的研究也随之产生，专利《一种调控MXene纳米片层间距的方法》中(申请号201910143482.9)通过多种离子液体对MXene纳米片进行表面修饰来调控层间距，再将表面修饰后的MXene分散液真空抽滤，制得柔性电极，MXene层间有机官能团会起到支撑作用，防止了MXene纳米片的紧密堆叠；专利《一种基于Ti₂CMXene的电池电极材料的制备方法》中(申请号201710353227.8)将MXene材料与插层剂混合进行插层剥离，层间距变大，再将混合溶液进行真空抽滤，制得柔性电极。这些方法虽然在一定程度上减少了MXene片层的堆叠，但是比容量和倍率性能与传统的活性炭基超级电容器电极材料相比还有一定差距，而且现有的成膜制备工艺是将MXene分散液进行真空抽滤，限于真空抽滤杯底座的直径在4cm左右，一套抽滤设备只能一次做一片直径为4cm的圆形电极，无法批量化、连续生产大面积的柔性电极，限制了柔性电极的推广应用。

可见，在现有技术中MXene在制备超级电容器电极时存在比容量和倍率性能较低、且难以批量化生产大面积连续的柔性电极的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有优异的倍率性能和循环性能的超级电容器柔性自支撑电极及其制备方法，并且该制备方法能够批量化连续生产大面积的柔性电极。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种超级电容器柔性自支撑电极的制备方法，包括以下步骤：