[发明专利]一种可变色和可拉伸的超级电容器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微型储能器件技术领域，具体涉及一种智能的可拉伸超级电容器复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，作为能量储存器件的超级电容器因具有较高的比容量和能量密度而得到广泛关注。除有大量研究致力于提高其电化学性能外，还有大量研究试图将超级电容器与其他功能结合从而扩大其应用领域。例如，为适应可携带、可编织的电子器件的发展需求，研究者们研发出了柔性、可拉伸的超级电容器。目前的可拉伸超级电容器的拉伸量可达60%，在实际应用中还需要进一步提高。另外，使器件智能化也具有重要意义，例如使器件随着储能水平的不同以直观的形式进行响应可以增强其实用性。我们在日常生活中面临的重要问题之一是在器件停止工作前知道其储存的能量是否即将耗尽，因此，这种对能量储存状态的即时响应可以为超级电容的广泛应用带来极大方便，是该领域科技方面的重要突破。但这样的直观动态响应在已有的报道中还没有实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性和可拉伸性好、颜色随能量储存状态而变化，且该变化快速可逆的智能的可变色和可拉伸的超级电容器及其制备方法。

本发明提供的可变色和可拉伸的超级电容器，是由聚二甲基硅氧烷薄膜作为基底，碳纳米管/聚苯胺复合物作为电极材料的对称超级电容器；其两极间夹有聚乙烯醇/磷酸复合物（PVA/H₃PO₄）作为凝胶电解质。

本发明提供的可拉伸超级电容器的制备方法，其具体步骤为：

1）在聚二甲基硅氧烷薄膜基底上施加一定的拉力，将该薄膜基底进行拉伸；

2）在处于拉伸状态的聚二甲基硅氧烷薄膜上均匀地铺一层超顺排的碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜是由碳纳米管阵列通过干法纺丝得到的，其中用到的碳纳米管阵列由化学气相沉积法制备；

3）在所述碳纳米管薄膜上电沉积聚苯胺；

4）撤去聚二甲基硅氧烷薄膜基底上施加的拉力，得到碳纳米管/聚苯胺复合物，以此作为可拉伸的超级电容器的电极；

5）在碳纳米管/聚苯胺复合物的空隙和表面涂布一层PVA/H₃PO₄凝胶状电解质；

6）将两片由步骤（5）中制得的带有电解质的电极组装，得到可拉伸的超级电容器。

本发明中，所述步骤（1）中，聚二甲基硅氧烷薄膜基底的长度拉伸量大于原长度的100%。

本发明中，所述碳纳米管阵列由化学气相沉积法制备得到；所述聚苯胺通过电沉积法制备得到。

本发明中，所述聚苯胺在碳纳米管/聚苯胺复合物中的质量含量为20%~90%，优选70%。

本发明的超级电容器在1 A/g的电流密度下，比容量可达308.4 F/g；且该超级电容器具有良好的可拉伸性，在100%的拉伸量下能保持80%的比容量；经多次拉伸后，比容量没有明显衰减。

本发明用扫描电子显微镜（SEM）对器件的结构进行了表征。图3（a）所示为在拉伸的聚二甲基硅氧烷基底上铺的一层厚度约为20 nm的碳纳米管薄膜，可以看到该膜均匀分散，进一步放大后，如图3（b）所示，可以看到其中的碳纳米管排列高度有序。图4（a）和4（b）分别为在碳纳米管薄膜上电沉积70% 的聚苯胺后的低倍和高倍图像，可以看出聚苯胺均匀地沉积在碳纳米管的表面，碳纳米管排列仍保持高度有序。将聚二甲基硅氧烷基底上的拉力撤去后，由图5（a）和5（b）可以看出碳纳米管/聚苯胺复合物保持宏观有序排列的同时形成了褶皱结构，从而保证了电极良好的可拉伸性。