一种柔性非对称超级电容器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种柔性非对称超级电容器及其制备方法和应用。本发明专利技术的柔性非对称超级电容器的组成包括依次层叠设置的第一柔性衬底、第一电极、电解质层、第二电极和第二柔性衬底，第一电极的组成包括NiO纳米片修饰的碳包覆ZnO纳米线阵列，第二电极的组成包括氮掺杂的多孔碳多面体材料。本发明专利技术的柔性非对称超级电容器具有能量密度和功率密度大、容量大、循环稳定性优异、电位窗口大、柔韧性好等优点，在可穿戴电子器件、人工智能和汽车等领域具有广阔的应用前景。阔的应用前景。阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性非对称超级电容器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及超级电容器
，具体涉及一种柔性非对称超级电容器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]超级电容器(SC)是一种储能元件，具有安全性高、充放电速度快、传输功率高、使用寿命超长、成本低等优点，应用前景广阔。正负极都采用同一种电极材料的超级电容器为对称超级电容器，而非对称超级电容器是在对称超级电容器上进行改进得到的一种新型电容器，其以两种不同工作电压范围的电极材料分别作为正负两极，可以增大自身的工作电压。目前，非对称超级电容器的种类较少，且普遍存在能量密度较低、容量较低、循环稳定性较差、电位窗口较低、不适合用于可穿戴设备等问题，难以完全满足日益增长的实际应用要求。
[0003]因此，开发一种能量密度大、容量大、循环稳定性优异、电位窗口大的柔性非对称超级电容器具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种柔性非对称超级电容器及其制备方法和应用。
[0005]本专利技术所采取的技术方案是：
[0006]一种柔性非对称超级电容器，其组成包括依次层叠设置的第一柔性衬底、第一电极、电解质层、第二电极和第二柔性衬底；所述第一电极的组成包括NiO纳米片修饰的碳包覆ZnO纳米线阵列；所述第二电极的组成包括氮掺杂的多孔碳多面体材料。
[0007]优选的，所述第一柔性衬底和第二柔性衬底均为导电碳纤维布。
[0008]优选的，所述第一柔性衬底和第二柔性衬底的大小规格均为(0.8cm～1.2cm)
×
(1.8cm～2.2cm)。
[0009]优选的，所述电解质层为PVA/KOH固态电解质层。
[0010]优选的，所述PVA/KOH固态电解质层中的PVA(聚乙烯醇)和KOH的质量比为1:1.4～1.6。
[0011]优选的，所述NiO纳米片的片径为10nm～100nm。
[0012]优选的，所述碳包覆ZnO纳米线阵列的高度为2μm～4μm。
[0013]一种如上所述的柔性非对称超级电容器的制备方法包括以下步骤：
[0014]1)将可溶性锌盐、六亚甲基四胺和氨分散在水中，再加入第一柔性衬底后进行水热反应，得到生长有ZnO纳米线阵列的柔性衬底；
[0015]2)将生长有ZnO纳米线阵列的柔性衬底浸入2
‑
甲基咪唑溶液中进行浸泡，再取出置于保护气氛中进行碳化，得到负载有碳包覆ZnO纳米线阵列的柔性衬底；
[0016]3)将负载有碳包覆ZnO纳米线阵列的柔性衬底浸入含可溶性镍盐、过硫酸钾和氨的溶液中进行浸泡，再取出进行退火，得到第一柔性衬底
‑
第一电极复合结构；
[0017]4)将可溶性锌盐和2
‑
甲基咪唑分散在甲醇溶液中进行反应，再将得到的固体产物置于保护气氛中进行碳化，得到氮掺杂的多孔碳多面体材料；
[0018]5)将氮掺杂的多孔碳多面体材料、聚四氟乙烯和乙炔黑混合后粘附在第二柔性衬底表面，得到第二柔性衬底
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第二电极复合结构；
[0019]6)将第一柔性衬底
‑
第一电极复合结构、电解质和第二柔性衬底
‑
第二电极复合结构进行组装和封装，即得柔性非对称超级电容器。
[0020]优选的，步骤1)所述可溶性锌盐、六亚甲基四胺(乌洛托品)的摩尔比为1:1.8～2.2。
[0021]优选的，步骤1)所述可溶性锌盐为硝酸锌、乙酸锌、硫酸锌中的至少一种。
[0022]优选的，步骤1)所述水热反应在90℃～100℃下进行，反应时间为4h～6h。
[0023]优选的，步骤2)所述浸泡在室温下进行，浸泡时间为8h～12h。
[0024]优选的，步骤2)所述碳化在550℃～650℃下进行，碳化时间为2h～5.5h。
[0025]优选的，步骤2)所述保护气氛为氮气气氛。
[0026]优选的，步骤3)所述可溶性镍盐、过硫酸钾的摩尔比为1:0.2～0.3。
[0027]优选的，步骤3)所述可溶性镍盐为硫酸镍、硝酸镍、乙酸镍中的至少一种。
[0028]优选的，步骤3)所述浸泡在室温下进行，浸泡时间为2min～5min。
[0029]优选的，步骤3)所述退火在空气气氛、温度为300℃～400℃的条件下进行，退火时间为2h～3h。
[0030]优选的，步骤4)所述可溶性锌盐、2
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甲基咪唑的摩尔比为1:7～9。
[0031]优选的，步骤4)所述可溶性锌盐为硝酸锌、乙酸锌、硫酸锌中的至少一种。
[0032]优选的，步骤4)所述反应在室温下进行，反应时间为8h～12h。
[0033]优选的，步骤4)所述碳化在800℃～1000℃下进行，碳化时间为3h～5.5h。
[0034]优选的，步骤4)所述保护气氛为氮气气氛。
[0035]一种储能设备，其包含上述柔性非对称超级电容器。
[0036]本专利技术的有益效果是：本专利技术的柔性非对称超级电容器具有能量密度和功率密度大、容量大、循环稳定性优异、电位窗口大、柔韧性好等优点，在可穿戴电子器件、人工智能和汽车等领域具有广阔的应用前景。
[0037]具体来说：
[0038]1)本专利技术的柔性非对称超级电容器采用NiO纳米片修饰的碳包覆ZnO纳米线阵列作为正极材料，其具有独特的三维分层核
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壳结构，碳包覆ZnO纳米线阵列可以减少ZnO在碱性溶液中因被腐蚀而导致的三维结构坍塌，可以降低NiO外壳到ZnO纳米线内核的电阻和材料的体积膨胀速率，进而可以提高材料的化学稳定性和电容容量，此外，NiO纳米片外壳还能够提供更多的反应活性位点；
[0039]2)本专利技术的柔性非对称超级电容器采用氮掺杂的多孔碳多面体材料作为负极材料，其由高比表面积、孔隙结构丰富的ZIF
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8晶体热解得到，不仅保留了ZIFs的高比表面积、丰富的孔隙结构和良好的物理及化学稳定性等优势，而且还兼备了低电阻、高电导率等特点，最终得到的柔性非对称超级电容器的能量密度高、功率密度大、循环稳定性优异；
[0040]3)本专利技术的柔性非对称超级电容器的正极和负极均采用低成本、易合成、安全无害的材料，在碱性电解质中电极均具有良好的稳定性；
[0041]4)本专利技术的柔性非对称超级电容器是一种高效的能量存储设备，能对外输出供能来带动电子产品(例如：将两个该器件串联能够轻松点亮由14个红色LED组成“U”型灯)。
附图说明
[0042]图1为实施例中的柔性非对称超级电容器的结构示意图。
[0043]附图标识说明：10、第一柔性衬底；20、第一电极；30、电解质层；40、第二电极；50、第二柔性衬底。
[0044]图2为实施例中的第一柔性衬底
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第一电极复合结构的制备流程图。
[0045]图3为实施例中的第二柔性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性非对称超级电容器，其特征在于，组成包括依次层叠设置的第一柔性衬底、第一电极、电解质层、第二电极和第二柔性衬底；所述第一电极的组成包括NiO纳米片修饰的碳包覆ZnO纳米线阵列；所述第二电极的组成包括氮掺杂的多孔碳多面体材料。2.根据权利要求1所述的柔性非对称超级电容器，其特征在于：所述第一柔性衬底和第二柔性衬底均为导电碳纤维布。3.根据权利要求1或2所述的柔性非对称超级电容器，其特征在于：所述电解质层为PVA/KOH固态电解质层。4.根据权利要求1或2所述的柔性非对称超级电容器，其特征在于：所述NiO纳米片的片径为10nm～100nm。5.根据权利要求1或2所述的柔性非对称超级电容器，其特征在于：所述碳包覆ZnO纳米线阵列的高度为2μm～4μm。6.一种如权利要求1～5中任意一项所述的柔性非对称超级电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将可溶性锌盐、六亚甲基四胺和氨分散在水中，再加入第一柔性衬底后进行水热反应，得到生长有ZnO纳米线阵列的柔性衬底；2)将生长有ZnO纳米线阵列的柔性衬底浸入2
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甲基咪唑溶液中进行浸泡，再取出置于保护气氛中进行碳化，得到负载有碳包覆ZnO纳米线阵列的柔性衬底；3)将负载有碳包覆ZnO纳米线阵列的柔性衬底浸入含可溶性镍盐、过硫酸钾和氨的溶液中进行浸泡，再取出进行退火，得到第一柔性衬底
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第一电极复合结构；4)将可溶性锌盐和2
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甲基咪唑分散在甲醇溶液中进行反应，再将...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿魁伟，王浩，刘玉荣，姚若河，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：