[发明专利]一种基于水凝胶电解质的全固态超级电容器的制备

说明书

本发明针对基于液态电解质的超级电容器存在的缺陷，提供一种基于水凝胶电解质的全固态电容器及其组装方法。以大豆蛋白和丙烯酰胺的混合溶液为前聚体，加入引发剂过硫酸铵，交联剂N，N’‑亚甲基双丙烯酰胺，氯化钙，加热交联形成大豆蛋白‑聚丙烯酰胺复合水凝胶。然后在室温下浸入离子溶液中置换得到溶解有离子的水凝胶电解质。在此基础上，将碳纳米管电极直接粘附在水凝胶电解质两侧，组装成三明治结构的全固态电容器，不需要任何黏合剂、隔膜或基底。制备的水凝胶电解质具有制备方法简单、可生物相容及环境友好等特性；组装的全固态超级电容器，具有组装工艺简单、电化学性能优异以及安全性高等优势。本发明公布了其制法。

技术领域

本发明涉及一种大豆蛋白复合水凝胶电解质的制备及其在超级电容器上的应用。

背景技术

超级电容器，又称作电化学超级电容器，是介于传统电容器和蓄电池之间的电能储能器件，相对于传统电容器，它具有更高的输出功率；相对于电池而言，又具有更高的能量密度。因此，它综合了传统电容器和蓄电池的优势，有利于扩展其在大功率高能量电源方面的应用。除此之外，超级电容器还具有倍率时间短、工作范围宽、充电时间短以及循环寿命长等优点。近年来，随着柔性电子器件的飞速发展，超级电容器作为电子产品的主要供能设备之一，如何适应柔性电子器件的要求已成为当前的研究热点。

电解质作为超级电容器的重要组成部分，包括液体电解质和固体电解质。目前，大部分超级电容器主要采用液体电解质，但在实际使用过程中易受外力作用造成有害液体的泄漏、燃烧和爆炸以及电极错位等安全隐患。与基于液体电解质的超级电容器相比，基于固体电解质的全固态超级电容器便于携带、可有效避免有害电解质的泄漏和包装材料的使用，并能够承受挤压、拉伸及压缩等机械变形。因此，全固态电容器作为一种先进的储能元件，在柔性器件领域具有广阔的应用前景。

离子水凝胶，是具有三维网状结构的类固体聚合物，由于其内部含有大量水分，可以溶解离子，并为离子迁移提供通道，因而可作为一种固体电解质用于全固态电容器的制备。现阶段，水凝胶主要采用石油基原料制备而成，存在成本高、生物相容性差、不可再生等缺点。基于此，本发明提供一种生物基水凝胶电解质，具有制备方法简单、成本低、可生物相容及环境友好等特性；组装的全固态超级电容器，具有优异的电化学性能和安全性能，且组装工艺简单，有利于扩大生产。有望作为一种先进的储能元件用于柔性电子器件。

发明内容

解决的技术问题：本发明针对基于液态电解质的超级电容器存在的缺陷，提供一种基于水凝胶电解质的全固态电容器及其组装方法。该水凝胶电解质为大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质，具有制备方法简单、可生物相容及环境友好等特性；组装的全固态超级电容器，具有组装工艺简单、电化学性能优异以及安全性高等优势，有利于工业扩大化生产。有望作为一种先进的储能元件用于柔性电子器件。

技术方案：本发明首先提供一种大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质的制备方法，步骤为：以大豆蛋白和丙烯酰胺的混合溶液为前聚体，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、氯化钙为交联剂，过硫酸铵为引发剂，在热引发作用下发生交联聚合，形成具有三维网络结构的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶；然后在室温下浸入离子溶液中置换得到溶解有离子的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质。在此基础上，将碳纳米管电极直接粘附在该水凝胶电解质两侧，组装成三明治结构的全固态电容器，不需要任何黏合剂、隔膜或基底。

所述的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶，其特征在于大豆蛋白、丙烯酰胺、引发剂、交联剂的质量比为1∶5∶0.02∶0.01，大豆蛋白和氯化钙的质量比为10∶1。

所述的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合水凝胶电解质，其特征在于离子溶液为LiCl、KF、KI、KCl、KNO₃、Na₂SO₄、KOH、NaOH、LiOH、H₃PO₄中的一种。