[发明专利]一种基于PBI‑KOH阴离子导电聚合物电解质的全固态超级电容器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于储能器件技术领域，特别涉及一种基于PBI-KOH阴离子导电聚合物电解质的全固态超级电容器及其制备方法。

背景技术

作为新型绿色储能装置之一的超级电容器，因具有较高的功率密度、较大的充放电倍率、较稳定的循环性能，获得了广泛的关注。特别是近年来，随着可穿戴电子设备市场的快速发展，灵活的、可伸缩的超级电容器成为最热门的研究课题之一。这些柔性的固态超级电容器通常使用基于聚乙烯醇(PVA)的凝胶电解质进行器件的组装，如使用PVA-KOH、PVA-H₂SO₄或PVA-H₃PO₄凝胶电解质。这些电解质具有低成本、高吸水性能和较高的容量等特点，适合制作灵活的准固态超级电容器。然而，由于溶剂的蒸发会造成安全问题及离子导电率的损失，使得这些准固态超级电容器存在安全隐患及限制其广泛应用。

阴离子导体聚合物电解质不存在电解液溢出的问题，具有更高的安全性和更大的灵活性，并且包装方便，具有实用性。但目前尚未有适用于全固态超级电容器的阴离子导体聚合物电解质出现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于全固态超级电容器的聚合物电解质及其制备方法，在此基础上组装得到的全固态超级电容器无需添加电解液，不存在电解液泄漏、爬碱等安全隐患，并且获得了较高的功率密度和较好的循环稳定性，制备方法简单，成本低。因此对高储能器件的制备及应用具有十分重要的意义。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于PBI-KOH阴离子导电聚合物电解质的全固态超级电容器，其特点在于：所述全固态超级电容器是以KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物作为电解质、以KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物膜作为隔膜、以理论比容量较高的Ni(OH)₂纳米球作为正极材料、以高比表面积的活性炭、介孔碳或碳纳米管作为负极材料，添加集流体后组装而成。其中，所述KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物膜的厚度为7.5～50μm之间。

本发明全固态超级电容器的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用滴落涂布法制备KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物膜

首先将PBI溶解在二甲基乙酰胺中，配制质量分数为5％的PBI溶液，并采用流延法成膜工艺制得PBI阴离子导电聚合物膜；将PBI阴离子导电聚合物膜浸入浓度在1～6M的KOH溶液中，常温反应10min～10days，取出干燥，即获得用于作为隔膜的KOH掺杂的PBI阴离子导电聚合物膜；

(2)制备正极浆料

将Ni(OH)₂纳米球、导电剂、PBI溶液(与步骤(1)中PBI溶液相同)和粘结剂混合后，加入N-甲基吡咯烷酮，60℃搅拌12h，获得正极浆料；优选的，Ni(OH)₂纳米球、导电剂、PBI和粘结剂的质量百分比为65％:15％:15％:5％。

Ni(OH)₂纳米球采用沉淀法制备，具体步骤是：将2mmol NiSO₄溶解在50mL去离子水中，然后加入2mmol NH₃·H₂O，在65℃搅拌30min，随后在60℃烘干，即得产物。

(3)制备负极浆料

将负极材料、导电剂、PBI溶液(与步骤(1)中PBI溶液相同)和粘结剂混合后，加入N-甲基吡咯烷酮，60℃搅拌12h，获得负极浆料；优选的，负极材料、导电剂、PBI和粘结剂的质量百分比为65％:15％:15％:5％。

(4)制备正极片和负极片

将正极浆料均匀涂覆在极片上，60℃下烘干后，再在100℃下烘干12h，获得正极片；将负极浆料均匀涂覆在极片上，60℃下烘干后，再在100℃下烘干12h，获得负极片；分别在正极片和负极片的表面滴50～500μL cm^-2的浓度为6M的KOH，然后晾干；

(5)组装

按照集流体、正极片、隔膜、负极片、集流体的顺序进行组装，即获得非对称型全固态超级电容器。

其中，所述粘结剂为PVDF，所述导电剂为导电碳黑。所述集流体为不锈钢网。所述极片为碳纸。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明基于PBI-KOH阴离子导电聚合物电解质的全固态超级电容器，无需补充电解液，并且具有较高的比容量和良好的稳定性。