[发明专利]一种全凝胶柔性超级电容器的制备方法

说明书

本发明公开了一种全凝胶柔性超级电容器的制备方法。本发明将丙烯酰胺（AAM）单体依次与粘土（XLS）、碳化钛（Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;）纳米片溶液混合，XLS和N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺作为协同交联剂，通过过硫酸钾引发剂引发聚合反应生成PAAM/XLS/Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;水凝胶；XLS作为物理交联剂，与AAM之间丰富的氢键在水凝胶网络中形成可逆的非共价相互作用，制备出具有自修复性能的水凝胶；N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺作为化学交联剂，与AAM之间的共价键为水凝胶提供良好的固型性和恢复性；以PAAM/XLS/Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;水凝胶作为电极材料，PAAM/Hsubgt;2/subgt;SOsubgt;4/subgt;水凝胶作为电解质组装全凝胶柔性超级电容器；利用氢键，使电极与电解质紧密粘合，有利于离子传输；组装的全凝胶柔性超级电容器具有高强度、可拉伸、可弯曲的优势。

技术领域

本发明涉及高分子凝胶材料技术领域，具体涉及一种全凝胶柔性超级电容器的制备方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，便携式柔性电子产品以柔性显示器、植入式医疗设备、微型机器人、电子皮肤和医疗健康检测设备等形式出现在各个领域。要实现对它们的供电，需要对储能器件提出更高的要求来满足特定的需要，例如体积小、重量轻、高电容性能，机械耐久性好和长距离循环稳定性等。超级电容器被认为是柔性电子产品中最有前途的候选者之一，它具有高功率密度，快速充电/放电速度和长循环寿命等优势。超级电容器通常由具有优异电化学性能的电极材料、电解质、隔膜与集流体四个部分组成。为了获得良好的机械柔韧性和电容性能，设计和研究具有柔性的电极和电解质具有重要意义。其中，电极作为存储及释放电荷的部分，对超级电容器的性能起着决定性的作用。

导电聚合物基水凝胶结合了导电材料与水凝胶的优异性能，具有优异的电子传输、离子传输能力以及可调的机械柔韧性，成为柔性超级电容器的理性材料之一。将本征导电材料（碳基、金属基、导电聚合物等）引入绝缘的聚合物基底中以形成交联网络是制备导电水凝胶的常用方法之一。

Ti₃C₂具有二维层状结构、高电化学活性表面、优异的导电性、可调的表面官能团以及出色的机械柔韧性，是制备超级电容器最有前途的电极材料之一。它的电荷存储机制通常被认为是一种电化学赝电容过程。这类赝电容机制和类似金属的导电性，使它具有更高的电容性能、循环寿命和速率性能。此外，Ti₃C₂良好的分散性和机械柔韧性也有益于应用在柔性超级电容器等领域。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新的思路，采用将AAM单体、XLS和Ti₃C₂纳米片混合，在XLS、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺双交联剂协同作用下通过过硫酸铵引发剂引发聚合反应形成以聚丙烯酰胺（PAAM）为弹性基底的水凝胶。AAM与XLS通过可逆的非共价相互作用赋予水凝胶超快的自愈合性能。N,N’-亚甲基双丙烯酰胺与AAM共聚为水凝胶提供良好的固型性和恢复性。Ti₃C₂纳米片作为导电填料，它表面丰富的亲水基团通过氢键相互作用与水凝胶网络牢固地结合，增强水凝胶力学性能。本发明制备的水凝胶电极具有可拉伸和自修复的性能。将PAAM/XLS/Ti₃C₂水凝胶电极与PAAM/H₂SO₄水凝胶电解质进行组装，得到具有三明治结构的全凝胶柔性超级电容器。PAAM/XLS/Ti₃C₂水凝胶电极与PAAM/H₂SO₄水凝胶电解质之间存在氢键，可以紧密贴合，有利于离子传输。