[发明专利]一种柔性锌离子混合电容器及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电化学储能技术领域，公开了一种柔性锌离子混合电容器及其制备方法和应用。该柔性锌离子混合电容器的正极采用柔性自支撑且具有电化学活性的活性碳纤维，其中活性碳纤维为经过二次活化处理的活性碳纤维布或活性碳纤维束，通过二次活化工艺，调控了活性碳纤维表面的孔分布，形成了层级孔结构，进而影响其用于锌离子混合电容器正极材料时的离子传输通道，最终影响电化学性能，以此作为柔性锌离子混合电容器的正极，其兼具高电化学活性、柔性和自支撑的性能；采用电化学沉积法，沉积金属锌于纤维状或薄膜状的柔性基底上，或直接以锌丝作为柔性锌离子混合电容器的负极。该柔性锌离子混合电容器具有良好的柔性可变形能力和优异的电化学性能。

技术领域

本发明属于新型电化学储能技术领域，特别涉及一种柔性锌离子混合电容器及其制备方法和应用。

背景技术

近些年，随着便携式、可穿戴电子产品(如可折叠的笔记本电脑、手机以及可穿戴的智能衣物等)的发展，可为上述设备供应能量的柔性超级电容器成为柔性储能领域的研究热点。然而，柔性超级电容器低的能量密度是制约其实际应用的关键瓶颈。为提高柔性超级电容器能量密度，国内外多个研究团队从以下几方面开展了研究，包括：(1)研究具有高电化学性能的柔性电极；(2)设计非对称型超级电容器以提高超级电容器体系电压窗口和能量密度。

尽管如此，受制于超级电容器自身的储能机制，柔性超级电容器的能量密度仍不够理想。近两年，水系多价态锌离子混合电容器被提出(Energy Storage Materials,2018,13:96-102.)，该体系的正负电极分别由具有电容行为和电池行为的活性物质构成。具体的，其以活性炭材料作为正极、金属锌作为负极、硫酸锌水溶液作为电解液，在正负电极分别发生离子吸脱附的电容行为和锌溶解-沉积的电池行为；这一新型电化学储能体系显示出比传统超级电容器体系高得多的能量密度，同时具有快速充放电、超长循环寿命以及高安全性等优点，因而得到广泛关注。

然而，能为便携式、可穿戴电子产品供应能量的柔性锌离子混合电容器还未见报道。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种柔性锌离子混合电容器。

本发明另一目的在于提供上述柔性锌离子混合电容器的制备方法。

本发明再一目的在于提供上述柔性锌离子混合电容器在便携式、可穿戴电子产品(如可折叠的笔记本电脑、手机以及可穿戴的智能衣物等)中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种柔性锌离子混合电容器，其包括正极、负极和电解质，其中正极采用柔性自支撑且具有电化学活性的活性碳纤维；负极为镀锌柔性基底，或直接以锌丝作为柔性锌离子混合电容器的负极。

所述的活性碳纤维为活性碳纤维布或活性碳纤维束；所述活性碳纤维采用二次活化工艺制得；

优选的，所述的二次活化工艺是指以下三种活化工艺中的一种：(1)首先经过水蒸气活化、再经过氢氧化钾活化的二次活化工艺；(2)首先经过氢氧化钾活化、再经过氯化锌活化的二次活化工艺；(3)首先经过水蒸气活化、再经过氯化锌活化的二次活化工艺。

所述的“首先经过水蒸气活化、再经过氢氧化钾活化的二次活化工艺”具体包括以下步骤：

(1.1)将未活化的碳纤维置于管式炉中，在惰性气体保护下升温至600-900℃，然后通入惰性气体和水蒸气的混合气体，活化10-60min，得到一次活化的碳纤维；

(1.2)将一次活化的碳纤维置于氢氧化钾水溶液中浸泡2-24h，取出干燥，得到产物1，然后在氮气气氛下将产物1置于600-900℃管式炉中活化0.5-2h，然后用去离子水反复清洗，直至清洗后的溶液呈现中性，经干燥后即得到二次活化的碳纤维。