[发明专利]一种柔性可折叠超级电容器及其制备方法

说明书

本发明属于新型先进能源存储器件技术领域，公开了一种柔性可折叠超级电容器及其制备方法，选择碳纳米管宏观膜作为集流体，表面负载活性物质构建近一体化复合电极；然后通过干燥、裁片、焊接、叠片、组装、注液和封装工艺制备柔性可折叠超级电容器。本发明碳纳米管宏观膜集流体与活性物质层间通过相互嵌入锚合作用形成近一体化的复合电极，该复合电极界面结构稳定、电子/离子的传导/扩散高效，同时多孔的碳纳米管宏观膜集流体能够储存电解液保证了电化学性能的稳定性。基于此组装的超级电容器具备高的体积能量密度、能任意弯曲折叠，适应工作温度宽，能应用于各式便携式电子设备、而且制备方法简单，便于大规模开发和应用。

技术领域

本发明属于新型先进能源存储器件技术领域，尤其涉及一种柔性可折叠超级电容器及其制备方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

随着现代科学技术的极速发展，各式各样的便携式可穿戴智能电子设备相继问世，并且这些电子设备逐渐向小型化、平面化、柔性化等方向发展，甚至是能够在压、拉、折等多种特殊环境下持续稳定工作。而当下的储能和供能器件往往过厚过沉、柔性较差，已不能很好地满足这一新兴产业的要求，所以发展这些多功能可穿戴电子设备的关键是开发与之相匹配的储能器件，这就需要储能器件不仅具备长续航能力，更重要的是能够在这些特殊环境条件下维持稳定的工作状态。因此研究新型的高性能柔性可折叠的储能器件具有十分重要的意义。

超级电容器作为一种高效、清洁、可持续的能源，受到广泛关注。其具有功率密度高、低温性能好、使用寿命长(达数十万次)和高安全性等优，同时作为储能元件的超级电容器也开始朝着小尺寸、轻质量和柔性等方向发展。现有超级电容器的能量密度较低，同时由于选择镍、铜、铝等金属作为集流体，超级电容器在形变条件下，包括弯曲、卷绕和折叠等，金属集流体易产生裂纹，甚至断裂进而阻断电子的传输，此外在形变作用下集流体表面的电解液会受到排挤，抑制离子的扩散，同时表面负载的活性物质极易脱落分离，导致超级电容器性能衰减甚至失效，因此开发柔性的集流体将其应用于超级电容器中具有重要的价值。

通过制备柔性的碳基集流体进一步构建柔性的电极有望实现超级电容器的柔性可弯曲，如通过水热法、电化学沉积等技术将活性物质负载在碳布、碳纳米管等集流体。然后活性物质与集流体间还存在界面问题：电子传输受阻、活性物质易脱落等问题，为了解决这一界面问题，Zheng Bo等在集流体(foam carbon,foam carbon cloth)和活性物质间引入石墨烯作为桥接点，丰富了电子的传输路径，改善了器件的结构稳定性和电化学特性(Adv.Mater.2013,25,5799–5806)。值得注意的是引入石墨烯后，石墨烯与集流体又产生了界面。最近Yongmin Ko等采用化学自组装法改善了柔性基体(cellulose papers，非导电基体)与活性物质的接触问题，提升了超级电容器器件的柔性(Nat.Comm.,2017,8(1):536)。

然而上述的集流体要么不具备柔性特性，要么不具有导电特性，无法同时实现优异柔性和高导电性，从而限制了柔性超级电容器的发展。因此需要进一步优化界面结构，进而从本质上解决电子传输、结构稳定等界面问题，实现柔性可折叠、高能量密度和功率密度的超级电容器。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术中，超级电容器件柔性特性以及导电特性不能同时实现优化，从而限制了柔性超级电容器的发展。而且现有技术中超级电容器制备方法复杂，不便于大规模开发和应用。

(2)现有技术往往通过原位生长活性物质，此时活性物质的负载量偏低，导致器件的整体能量密度较低，无法满足满足智能电子设备的长时间能源需求。

(3)现有技术中，制备的超级电容器在柔性折叠过程，电解液受到外力的作用会二次分布导致在电极表面分布不均，进而影响了超级电容器的供能，无法真正意义地实现柔性可折叠环境下的稳定工作。

解决上述技术问题的难度：