基于Nafion膜的柔性超级电容器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Nafion膜的柔性超级电容器及其制备方法。柔性超级电容器包括正极、负极和Nafion隔膜，正极和负极均为Nafion掺杂的导电聚合物。其制备方法包括：a)Nafion掺杂导电聚合物材料的制备；b)电极片的制备；c)基于Nafion膜的柔性超级电容器的制备。与现有技术相比，本发明专利技术具有如下优点：基于Nafion膜的柔性超级电容器中Nafion膜具有隔膜和电解质的作用，减少基于Nafion膜的柔性超级电容器的部件，组装更方便；基于Nafion膜的柔性超级电容器中电极材料为Nafion掺杂的导电聚合物，Nafion的掺杂能够扩展电化学界面，提高导电聚合物利用率。电聚合物利用率。电聚合物利用率。

【技术实现步骤摘要】
基于Nafion膜的柔性超级电容器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及超级电容器
，具体涉及一种基于Nafion膜的柔性超级电容器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着可穿戴和移动通讯等领域中电子产品的发展，高性能能源器件需求迫切。电池和超级电容器是最常见的两种能源器件，与电池相比，超级电容器具有安全性好、功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优点。相比于常规超级电容器，柔性超级电容器对电子产品的小型化、轻薄化和可折叠方面有重要促进作用。
[0003]柔性超级电容器一般使用凝胶电解质，由于凝胶电解质的强度不高，正负极容易接触而短路，所以一般还需使用隔膜来隔离正负极，这无疑增加柔性超级电容器的结构复杂性和制备难度。Nafion膜具有较高的离子电导率，可作为电解质，同时强度也较高，是较好的柔性超级电容器隔膜材料。中国专利(CN201910991761)以自氧化丝碳毡、粘胶基碳毡、聚丙烯腈基碳毡、聚丙烯腈基固化碳毡为电极，Nafion膜等作为隔膜，制备了全固态柔性超级电容器；中国专利(CN201510562651)以花簇型导电聚噻吩为电极材料，Nafion膜等作为隔膜，制备了柔性超级电容器。上述专利中固态电极与固态Nafion膜接触时，只有电极表面的材料处于电化学界面上，柔性超级电容器性能不高，为了提高性能，上述专利中柔性超级电容器组装时还添加了电解液，导致柔性超级电容器在弯折时容易泄露电解液。

技术实现思路

[0004]鉴于现有技术的不足，本专利技术的目的在于构筑Nafion掺杂的导电聚合物材料，并基于此组装基于Nafion膜的柔性超级电容器，Nafion的掺杂可扩展电化学界面，从而在不需要电解液的同时提高基于Nafion膜的柔性超级电容器性能。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种制备上述基于Nafion膜的柔性超级电容器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]a)Nafion掺杂导电聚合物材料的制备：
[0008]在苯胺或苯胺衍生物、吡咯或吡咯衍生物、噻吩或噻吩衍生物(导电聚合物单体)中的一种或两种以上的水溶液中加入Nafion分散液，混合均匀后加入氧化剂，进行化学聚合后，过滤、洗涤、干燥得到的材料作为活性材料。
[0009]b)电极片的制备：
[0010]将所述步骤a)制备的活性材料与导电炭黑、聚四氟乙烯粘合剂混合均匀形成浆料，压成薄膜，烘干后切成所需面积的电极片。
[0011]c)柔性超级电容器的制备：
[0012]所述步骤b)制备的电极片放置于Nafion膜两侧，在100至150℃温度下，0.1至10MPa压力下，热压1至10min得到柔性超级电容器。
[0013]作为优选方案，所述步骤a)溶液中苯胺或苯胺衍生物、吡咯或吡咯衍生物、噻吩或噻吩衍生物(导电聚合物单体)中一种或两种以上的浓度总和为0.005mol/L至2mol/L，导电聚合物单体和Nafion分散液中干Nafion质量比为1:0.01至1:100；步骤a)中氧化剂为过硫酸铵、过氧化氢或氯化铁中的一种或两种，溶液中氧化剂的浓度为0.005mol/L至2mol/L；步骤a)溶液中添加有掺杂剂，所用掺杂剂为盐酸、硫酸、高氯酸、磷酸、对甲苯磺酸或萘磺酸中的任一种；溶液中掺杂剂的浓度为0.005mol/L至2mol/L；步骤a)所述化学聚合温度为
‑
5℃至80℃，聚合时间为1h至48h。
[0014]作为优选方案，所述步骤a)中Nafion分散液型号为D520、D521、D1020、D1021、D2020、D2021中的一种或两种以上混合；所述Nafion分散液根据需要可进行稀释或者加热浓缩，稀释剂为水、乙醇、异丙醇、正丙醇、乙二醇中的一种或两种以上。
[0015]作为优选方案，所述步骤b)中导电炭黑为XC
‑
72碳粉、乙炔黑碳粉、BP2000碳粉中的一种或两种以上；步骤b)中活性材料、导电炭黑和聚四氟乙烯粘合剂质量比为1:1:1至20:1:1。
[0016]第二方面，本专利技术提供了一种基于Nafion膜的柔性超级电容器，其特征在于：由上述任一方法制备得到；包括正极、负极、和Nafion隔膜，所述正极和负极均为Nafion掺杂的导电聚合物。
[0017]作为优选方案，所述导电聚合物为聚苯胺或聚苯胺衍生物、聚吡咯或聚吡咯衍生物、聚噻吩或聚噻吩衍生物中的一种或两种以上混合或共聚。
[0018]作为优选方案，所述Nafion隔膜为Nafion211膜、Nafion212膜、Nafion115膜、Nafion117膜、Nafion HP膜或Nafion XL
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100膜中的一种。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点及有益效果：
[0020]鉴于现有技术的不足，本专利技术构筑了Nafion掺杂的导电聚合物作为电极材料，并基于此组装基于Nafion膜的柔性超级电容器，Nafion的掺杂可扩展电化学界面，从而在不需要电解液的同时提高柔性超级电容器性能。
[0021]本专利技术通过改进电极的结构，制备了Nafion掺杂导电聚合物材料，以此作为电极材料构筑基于Nafion膜的柔性超级电容器，组装时不需添加电解液仍能达到较高性能。其中Nafion掺杂相当于扩展了电化学比表面积，可以提高导电聚合物的利用率，在制备柔性超级电容器时不需要添加电解液，柔性超级电容器的性能仍较高。具体为：
[0022]1、本专利技术的柔性超级电容器中Nafion膜具有隔膜和电解质的作用，减少柔性超级电容器的部件，组装更方便，能够提高超级电容器的生产效率，且Nafion膜的机械性能和柔软性较好，柔性超级电容器可以弯折的次数更多；
[0023]2、本专利技术的柔性超级电容器中电极材料为Nafion掺杂的导电聚合物，Nafion的掺杂能够扩展电化学界面，提高导电聚合物利用率，从而在不需要电解液的同时提高柔性超级电容器性能。
附图说明
[0024]图1为柔性超级电容器结构示意图(其中1和3为Nafion掺杂导电聚合物电极，2为Nafion膜)；
[0025]图2为柔性超级电容器平展状态照片；
Nafion分散液(Nafion分散液中的干Nafion固含量为1wt％)，苯胺和干Nafion的质量比为1:0.2，作为溶液A；然后将14.26g过硫酸铵(0.06mol)溶解在51.50mL去离子水中形成溶液B。将溶液A和B冷却至0℃后混合均匀，化学聚合反应3h得到Nafion掺杂聚苯胺材料。
[0052]b)电极片的制备：
[0053]Nafion掺杂聚苯胺材料与乙炔黑、聚四氟乙烯粘合剂按质量比为8:1:1混合均匀形成浆料，压成薄膜，烘干后切成所需面积的电极片。
[0054]c)柔性超级电容器的制备：
[0055]上述步骤制备的电极片放置于Nafion膜两侧，在120℃温度下，1MPa压力下，热压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Nafion膜的柔性超级电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a)Nafion掺杂导电聚合物材料的制备：在苯胺或苯胺衍生物、吡咯或吡咯衍生物、噻吩或噻吩衍生物即导电聚合物单体中的一种或两种以上的水溶液中加入Nafion分散液，混合均匀后加入氧化剂，进行化学聚合后，过滤、洗涤、干燥得到的材料作为活性材料；b)电极片的制备：将所述步骤a)制备的活性材料与导电炭黑、聚四氟乙烯粘合剂混合均匀形成浆料，压成薄膜，烘干后切成所需面积的电极片；c)柔性超级电容器的制备：所述步骤b)制备的电极片放置于Nafion膜两侧，在100至150℃温度下，0.1至10MPa压力下，热压1至10min得到柔性超级电容器。2.根据权利要求1所述的基于Nafion膜的柔性超级电容器的制备方法，其特征在于：所述步骤a)溶液中苯胺或苯胺衍生物、吡咯或吡咯衍生物、噻吩或噻吩衍生物即导电聚合物单体中一种或两种以上的浓度总和为0.005mol/L至2mol/L，导电聚合物单体和Nafion分散液中干Nafion质量比为1:0.01至1:100；所述步骤a)中氧化剂为过硫酸铵、过氧化氢或氯化铁中的一种或两种，溶液中氧化剂的浓度为0.005mol/L至2mol/L；所述步骤a)中溶液中添加有掺杂剂，所用掺杂剂为盐酸、硫酸、高氯酸、磷酸、对甲苯磺酸或萘磺酸中的任一种；溶液中掺杂剂的浓度为0.005mol/L至2mol/L；所述步骤a)中化学聚合温度为
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50℃至80℃，聚合时...

【专利技术属性】
技术研发人员：付旭东，刘清亭，胡圣飞，张荣，夏春光，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：