[发明专利]一种环境感知自修复柔性储能电极材料制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种环境感知自修复柔性储能电极材料制备方法及应用，涉及储能电极材料技术领域。本发明的电极材料是将氢键有机框架结构与纤维支架材料相结合制成一种柔性电极材料，通过优化制备工艺的步骤以及参数，使得该电极材料在具有较高比能量密度的同时，既具有很好的拉伸性和弯折性，又具有感知环境湿度从而对自身材料结构做出修复的独特性能。利用本发明的电极材料制备的可穿戴储能器件具有较高的使用寿命，同时在潮湿环境和水环境中使用效果佳。

技术领域

本发明属于储能电极材料技术领域，具体涉及一种环境感知自修复柔性储能电极材料制备方法及应用。

背景技术

在过去的几十年中，人们对多孔晶态材料进行了广泛的研究。其中，金属有机框架(MOFs)和共价有机框架(COFs)由于具有永久的孔隙率、大的比表面积以及高度的可设计性等优势在气体分离与存储、水的纯化、非均相催化、电极材料、化学传感、药物传输等领域具有潜在的应用前景。这两类材料分别由不同的分子构筑单元通过配位键或共价键组装而成。

氢键有机框架(HOFs)是一类新型的多孔晶态材料，由有机或金属有机构筑单元通过分子间氢键作用组装而成。与共价键和配位键相比，氢键本质上具有作用力弱、柔性以及方向性较差等特点。在不同的溶剂以及合成条件下，HOFs往往具有不同的结构，极大的增加了其结构的多样性。此外，由于这种有机框架结构中包含了大量的氢键，所以HOFs材料在柔性应用方面具有潜力，这也使得HOFs具有一些固有的优势，如合成条件温和、溶液可加工性、易于再生和修复等。

在中国专利CN113201144A中公开了一种刚性的四羧基氢键有机框架材料，该材料主要用于C₃H₄/C₃H₆混合气体中选择性分离吸附丙烯丙炔，但没有在电极方面做出应用尝试；中国专利CN113045460A中公开了一种高核水簇的氢键有机框架材料及其制备方法，该发明主要是调控疏水溶剂的比例构建，通过相同的小分子有机化合物构建不同的氢键有机框架结构，并且合成了一种全新的高核水簇有机框架材料，但未在应用层面做出阐释，更没有用于制备电极材料；中国专利CN112920794A中公开了一种氢键有机框架复合发光材料及其制备方法，该材料在照明、显示以及发光器件领域中有应用潜力，但在储能器件领域的应用并未报道；中国专利CN112724416A中公开了一种生物基氢键有机框架材料，将其应用于非均相光催化CO₂还原中，但在其他领域中的应用并未提及；中国专利CN109134882B中公开了一种咔唑基氢键有机框架材料，具有C₂H₄/C₂H₆选择性分离吸附性能，且具有良好的热稳定性与化学稳定性，重复使用成本低，主要应用于气体分离领域，未能够涉及超级电容储能领域；中国专利CN108727605B中公开了一种基于稠环配体构筑的氢键有机框架材料，由于该材料具有良好的生物兼容性和较低的生物毒性，在进一步复合抗癌药物之后，具有优良的复合化学-光动力学治疗能力，表现了出优良的癌症治疗效果，因此该材料主要用于生物领域。欧洲专利EP3871768A1公开了一种氢键有机框架结构，该材料具有半导电性、质子导电、多孔等特性，并未应用于储能领域；中国专利CN112090298A公开了一种全纳米多孔MOF/HOF复合膜、制备方法，这种材料主要应用在气体分离中；中国专利CN111636208A公开了一种介孔氢键有机骨架纤维复合材料，该材料主要用于对芥子气进行降解，以上各专利均无在储能领域中应用，主要是该材料在导电性方面欠佳，以至于很难在储能领域应用起来；中国专利CN112552524A中公开了一种离子型氢键有机框架材料，其主要用于质子导电材料；中国专利CN112614997A中公开了一种基于氢键有机框架材料的氟化碳正极材料的制备方法，其以多孔材料—氢键有机框架材料作为原料，经过高温碳化可以获得含有杂原子的多孔碳材料，采用由氟气、氟化氢和氩气组成的混合气体作为氟化气体，在加热条件下对多孔碳材料进行氟化可获得含有杂原子的氟化碳正极材料，但该方法步骤繁琐，合成条件要求较高(需要900℃的高温环境，且中间有氟化氢等有害物质参与反应)，不符合低成本、绿色、制备简单的合成路线。