[发明专利]一种耐高低温的柔性超级电容器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种耐高低温的柔性超级电容器及其制备方法，该超级电容器以二甲基亚砜掺杂的聚丙烯酰胺/聚(2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸)/氯化锂水凝胶为电解质和柔性基底、以碳纳米管/聚苯胺复合膜为电极组装而成。所设计合成的二甲基亚砜掺杂聚丙烯酰胺/聚(2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸)/氯化锂水凝胶，表现出优异的耐高、低温性能，基于此，进一步制备了高性能、耐高、低温的柔性超级电容器。与现有技术相比，本发明的柔性超级电容器在‑20℃低温条件下，容量保持率大于90％；在100℃高温条件下，容量保持率高于85％。该超级电容器还具有优异的柔性，弯曲5000次容量几乎没有明显衰减，在柔性、可穿戴电子器件等领域具有重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及柔性储能器件技术领域，具体涉及一种耐高低温的柔性超级电容器及其制备方法。

背景技术

柔性、便携、全气候电子设备的迅速发展，传统的刚性、温度敏感的能源(例如电池和超级电容器)供应系统难以满足其应有需求。以超级电容器为例，传统的基于聚乙烯醇电解质的超级电容器，在高、低温下性能急剧降低甚至失效，主要技术瓶颈在于凝胶电解质。具有三维网络交联结构的高分子水凝胶中可保持大量水或其它溶剂，通过适当功能化可赋予其一定的离子导电性，被作为电解质材料广泛应用于超级电容器中。

然而，高分子水凝胶中的水在高温下极易流失、低温下则易结冰，从而使超级电容器的性能急剧降低甚至失效。已有研究表明，可通过引入大量无机盐、有机溶剂和离子液体等方法以调控高分子水凝胶的温度适应性。但是所面临的挑战是：水凝胶中含盐量太大，容易腐蚀器件中的金属部件，器件的电化学性能不稳定；有机溶剂则具有毒性大、易自燃的风险；离子液体水凝胶成本较高。因此，开发环境友好、制备工艺简单和可耐高、低温环境的高分子水凝胶电解质，对于获得能够在不同温度环境中正常工作的柔性超级电容器具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺陷而提供一种耐高低温的柔性超级电容器及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

该超级电容器是以二甲基亚砜掺杂的聚丙烯酰胺/聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)/氯化锂水凝胶为电解质层、以碳纳米管/聚苯胺复合材料为电极组装而成。

本发明以聚丙烯酰胺/聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)/氯化锂水凝胶作为耐高、低温电解质，二甲基亚砜作为电解质添加剂添加到纯水中，提高水凝胶耐高、低温性能。在聚丙烯酰胺/聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)链中引入磺酸基和酰胺基可增强聚合物链与水分子之间的相互作用，高分子链与水分子所形成氢键，可以一定程度上减少水分子在低温下形成冰晶(高温下挥发)。另外，二甲基亚砜作为氢键的受体，其分子中的氧原子很容易与水分子中的羟基形成氢键，可进一步有效抑制低温条件下冰晶的形成(高温下挥发)，具体机理过程参见附图1。

基于该新型耐高、低温高分子水凝胶电解质，所制备的超级电容器可在-20～100℃的温度范围内稳定工作，即使在-20℃极端低温下超级电容器的容量保持率为90％以上，在100℃高温下器件的容量保持率高于85％。所述的碳纳米管/聚苯胺复合材料中聚苯胺的质量百分比为30～50％。

所述电解质层的厚度为50～400μm，所述电极的厚度为10～100μm，所述聚丙烯酰胺/聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)/氯化锂水凝胶中氯化锂的浓度为1～3mol/L，二甲基亚砜所占总溶剂的体积为4～40％。

一种如上所述耐高、低温的柔性超级电容器制备方法，包括以下步骤：

(1)通过原位化学聚合在碳纳米管薄膜两面生长聚苯胺，得到碳纳米管/聚苯胺复合电极；

(2)在玻璃容器中配制预聚液，然后把预聚液倒入自制的模具中，用紫外光照引发聚合，得到聚丙烯酰胺/聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)/氯化锂水凝胶；