[发明专利]一种可穿戴全柔性固态电致变色超级电容器及其制作方法

说明书

本发明公开了一种可穿戴全柔性固态电致变色超级电容器及制备方法，主要解决现有技术中超级电容器的柔性差、储能效果差、难以实现可穿戴的问题。其自下而上包括下集流体(1)、第一活性层(2)、凝胶聚合物电解质层(3)、第二活性层(4)和上集流体(5)，该上下两个集流体均由柔性衬底和银纳米线电极组成，且银纳米线电极涂布在柔性衬底上；该活性层，采用共轭聚合物材料，以实现电致变色的功能，且共轭聚合物的一部分嵌入到银纳米线电极的网状多孔中，形成银纳米线‑共轭聚合物复合3D电极。本发明提高了超级电容器的机械柔韧性和电化学性能，实现了全柔性、可穿戴、电量可视化，可用于为人体穿戴式的电子设备提供能量。

技术领域

本发明涉及电子元器件技术领域，尤其涉及一种可穿戴全柔性固态电致变色超级电容器，可用于为人体穿戴式的电子设备提供能量。

背景技术

超级电容器SC因其具有大于等于100000次的长循环寿命、大于等于10000W kg^-1的高功率密度、且可在数秒之内可以进行快速充放电的优势，成为最有应用前景的能量存储设备之一。电致变色器件ECDs在外加电场的作用下，随着电子或离子的注入与脱出，器件的光学性能和颜色能够发生可逆的变化。由于超级电容器与电致变色器件在电极材料、电荷存储与传输过程中的相似性，故产生了一种新型超级电容器——电致变色超级电容器ECSC，因为其同时具有透明导电材料和能够进行能量储存特性的电致变色材料，所以该超级电容器兼具光学调制和能量存储双层能力，并可通过颜色的状态可视化地观测能量存储状态，为储能器件带来了的新交互体验。

电致变色超级电容器可以为人体的可穿戴电子设备提供能量，而人体动作的精细肌肉活动使得可穿戴电子设备不仅要考虑器件在弯曲形变状态下工作的性能，还可能需要在超过20％的拉伸应变条件下不产生显著的性能衰减。这种具有良好拉伸性的全柔性电致变色超级电容器必须保证包括衬底、集流体、活性层、电解质等在内的所有结构都具有良好的机械柔韧性。

目前，有多种新型导电材料可以满足集流体对柔韧性的要求，如：银纳米线、金属网格、碳纳米管、石墨烯薄膜、导电聚合物等，其中银纳米线及其透明导电膜因其具有优异的光电特性、良好的耐弯折耐拉伸的机械性能及低成本量产的制备工艺路线，成为最有希望在中大尺寸和柔性器件领域替代ITO的新型柔性透明导电材料。但是银纳米线导电网络结构在柔性形变过程中容易发生银纳米线的位移，造成导电能力的下降；且超级电容器在弯折形变下层与层之间容易发生滑移、开裂，这种较差的机械柔韧性限制了超级电容器在柔性领域的广泛应用；同时传统的超级电容器由于界面电阻大，电解质离子扩散路径长，导致其电化学能量存储性能较差，影响充放电能力的提高。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出一种可穿戴全柔性固态电致变色超级电容器及其制作方法，以增强超级电容器的机械柔韧性，提高其电化学特性，满足可穿戴的要求。

本发明的技术方案是：对银纳米线及其柔性透明电极进行改进，设计一种三维复合电极结构，具体实现如下：

一.可穿戴全柔性固态电致变色超级电容器，自下而上包括下集流体、第一活性层、凝胶聚合物电解质层、第二活性层和上集流体，其特征在于：

上下两个集流体均弹性由柔性衬底和银纳米线电极组成，且银纳米线电极涂布在柔性衬底上；

活性层，采用共轭聚合物材料，以实现电致变色的功能，且共轭聚合物的一部分嵌入到银纳米线电极的网状多孔中，形成银纳米线-共轭聚合物复合3D电极。

进一步，所述柔性衬底采用聚二甲基硅氧烷PDMS、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯丙烯酸酯、氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚乙烯醇中的一种。

进一步，所述银纳米线电极，由银纳米线墨水涂布得到，该银纳米线直径为10-100nm，长度为10-100μm，且在墨水中所占的质量分数为5％-60％。

进一步，所述共轭聚合物材料，采用溶剂为氯苯溶液,材料为如下三种中的任意一种：