[发明专利]导电聚吡咯水凝胶电极材料、其制备方法及可拉伸超级电容器

说明书

本发明将有机化合物聚合形成的刚性的导电材料与水溶性高分子的柔性高分子链进行物理交联，形成具有三维网状的高分子结构，从而得到具有较高电导率和较优机械性能的导电聚吡咯水凝胶电极材料。将本发明制备得到的导电聚吡咯水凝胶电极材料用于制备超级电容器的电极，得到的可拉伸超级电容器具有较高的能量密度和功率密度，比电容较高，循环性能和可拉伸性能较优。另外，本发明公开的导电聚吡咯水凝胶电极材料的制备方法不需要繁琐的工艺流程，不需要柔性基底作辅助，原材料廉价易得，制备方法简单易行，适合大规模工业生产。

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，尤其涉及一种导电聚吡咯水凝胶电极材料、其制备方法及可拉伸超级电容器。

背景技术

可穿戴、可折叠、柔性、便携式的智能设备是当今电子产品的主流发展方向，开发能为之提供能量的轻、薄、柔性的高性能储能器件成为当前学术界和产业界的研究热点。柔性超级电容器作为一种具有较高功率密度和中等能量密度、较长循环寿命及较优安全性能等特点的供能设备，成为了首选的高性能储能器件。

适用于电容器的电极材料主要有金属氧化物、碳材料和导电聚合物这三类。作为电极，金属氧化物是与导电剂及粘结剂一起涂覆在集流体上，弯曲时会导致活性物质与集流器的脱离；一些新型的碳材料(如碳纳米管，石墨烯等)以及导电聚合物可以形成自支撑成膜，但由于其分子结构是刚性的，也不能承受较大的形变，不能实现可拉伸。

为了实现电容器的可拉伸性，一般采取的措施是通过模板合成或者微纳加工等方法制备一些具有特殊微观结构的电容器电极，再辅助以聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，聚酰亚胺(PI)等柔性衬底以承受形变，具体的，制备可拉伸超级电容器的方法分为两类。

一类是基于可弯曲的电活性材料，将其设计为特定的结构，如波浪状膜或者螺旋盘绕纤维。可弯曲的电活性材料主要是碳材料，包括碳纳米管、石墨烯等，制备方法涉及模板的制备、移除等，且因电极材料限制，得到的电容器的电容量普遍不高。例如：X.Li等(参见：Nano Letters,2012,12,6366-6371)报道了将单臂碳纳米管化学沉积在拉伸状态下的聚二甲基硅氧烷(PDMS)上，沉积完成后释放PDMS，获得波浪状电极材料，以其为电极材料制备超级电容器，所得超级电容器可承受31.5％的应变，可达到的最大比电容只有3.47mF·cm^-2，缺乏实用价值。Y.Shang等(参见：Nano Energy,2015,12,401-409)报道了将碳纳米管边纺丝边螺旋缠绕成股，制备好的螺旋盘绕的纤维上再电化学沉积一层聚吡咯，两股蘸上电解液缠绕得超级电容器，该电容器可在径向应变达150％，但最大的比电容只有63.6F/g。

另一类是在柔性基底上用可拉伸的导线连接不可拉伸的储能组元，形成互连岛的组装结构。相互连接的岛状结构需要采用微纳加工技术，主要的难点在于微纳加工技术、器件的固定和封装，以及连接导线的设计。该方法技术复杂，成本高昂。例如：D.Kim等(参见：ACS Nano,2013,7,7975-7982)报道了采用微纳加工技术用弯曲的Ti/Au导线连接每个以单臂碳纳米管为电极的微型电容器，用聚酰亚胺封装。制备的电容器可承受30％的应变，能达到的最大比电容是55.3F/g。

显然，上述方法制备过程繁琐，成本高，并且制得的超级电容器在受应力时可能发生衬底与活性物质的分离，破坏电化学性质，因此，可承受的形变有限。同时，现有文献报导的可拉伸超级电容器往往只追求可拉伸性质，其能量密度和功率密度都很低，比电容值不高，电化学性能较差，缺乏实用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种导电聚吡咯水凝胶电极材料、其制备方法及可拉伸超级电容器，本发明提供的导电聚吡咯水凝胶电极材料制备的可拉伸超级电容器比电容较高，循环性能较优，且具有优良的可拉伸性，同时，本发明公开的导电聚吡咯水凝胶电极材料的制备方法简单易行。

本发明提供了一种导电聚吡咯水凝胶电极材料的制备方法，包括：