CN105206429A - 一种柔性薄膜电极材料及其制备方法 - Google Patents

一种柔性薄膜电极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种柔性薄膜电极材料及其制备方法，所述电极材料以超薄钛片为基底，在基底上分布有一层密集排列的三氧化二钒纳米片阵列，在三氧化二钒纳米片阵列表面还包覆有一层碳材料。其制备方法首先在超薄钛片上水热生成二氧化钒纳米片阵列；然后以葡萄糖为碳源进行碳包覆，形成三氧化二钒碳复合纳米片阵列，即柔性薄膜电极材料。将该电极材料同时作为正、负极，组装成超级电容器。该法操作简单、易于规模化，获得的电容器具有良好的柔性，且整个电容器厚度仅40微米，展现非对称型储能机理、电压高、体积能量密度高，可用于柔性可穿戴电子产品等领域，有望产生良好的社会和经济效益。

Description

一种柔性薄膜电极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电容器技术领域，涉及一种柔性薄膜电极材料及其制备方法。
背景技术
随着柔性电子产品的不断发展，柔性储能器件也应运而生，其中柔性薄膜型超级电容器因其高功率、快速充电能力等优势显示出巨大的应用前景，如在柔性显示装置、柔性电子皮肤和可穿戴电子设备等方面具有潜在应用。传统的柔性超级电容器通常有两类：一是采用碳基材料(如碳纳米管或石墨烯自支撑膜)等作为电极，虽然具有优异的柔性和导电性，但碳材料是基于双电层的储能机理，相对于氧化还原反应机理的赝电容材料容量小；二是采用柔性碳布上直接生长赝电容活性材料作为电极，但碳布集流体较厚且存在上百微米的结构空隙，极大地浪费了许多空间体积。因此传统的柔性薄膜超级电容器体积能量密度和功率密度较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种超薄、致密的具有高容量的赝电容电极材料及其制备方法，该电极材料具体为超薄钛片基底上碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列材料，以该电极材料同时作为正、负极构建非对称型储能机理的超级电容器体积能量密度和功率密度高。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种柔性薄膜电极材料，所述电极材料以超薄钛片为基底，在基底上分布有一层密集排列的三氧化二钒纳米片阵列，在三氧化二钒纳米片表面还包覆有一层碳材料。
按上述方案，所述超薄钛片厚度为10-50μm。
按上述方案，所述三氧化二钒纳米片厚度为30-40nm，三氧化二钒纳米片阵列层厚度为400-600nm，所述碳材料厚度为5-10nm。
提供一种柔性薄膜电极材料的制备方法，步骤如下：
1)将五氧化二钒、二水合草酸加入丙酮和水的混合溶剂中，反应得到蓝色溶液；
2)将步骤1)所得蓝色溶液和超薄钛片置于水热反应釜中，超薄钛片一面进行遮挡，于160-200℃水热反应12-18小时，水热反应结束后在钛片表面生成二氧化钒纳米片阵列，将钛片取出洗涤烘干后，在有二氧化钒纳米片阵列一面滴加葡萄糖溶液，烘干，重复上述滴加葡萄糖溶液及烘干过程，然后置于石英管式炉中进行退火处理，在钛片基底上得到碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列材料，即柔性薄膜电极材料。
按上述方案，步骤1)所述五氧化二钒和二水合草酸摩尔比为1:3；所述丙酮和水的混合溶剂为丙酮与水按体积比1-4:3-6混合得到。
按上述方案，步骤1)所述反应条件为40℃水浴条件下搅拌24h。
按上述方案，步骤2)所述葡萄糖溶液浓度为0.11-0.44mol/L。
按上述方案，步骤2)所述退火处理的工艺为：氩气气氛下以10℃/min升温至550℃，保温1小时，然后随炉自然冷却。
本发明还提供以上述柔性薄膜电极材料为正、负电极的全固态非对称型柔性薄膜超级电容器。
按上述方案，所述全固态非对称型柔性薄膜超级电容器以氯化锂/聚乙烯醇凝胶作为准固态电解质。
按上述方案，所述氯化锂/聚乙烯醇凝胶的制备方法为：先配制5mol/L的氯化锂溶液，然后加入聚乙烯醇粉末，聚乙烯醇粉末的质量与氯化锂溶液的体积比为0.1g/mL，于85℃水浴搅拌2-3小时，静置冷却得到。
本发明的有益效果在于：1、本发明以超薄钛片(10μm)作为基底直接生长金属氧化物纳米片阵列(氧化钒纳米片阵列)，建立了电子传输的直接通道，同时超薄钛片具有很好的柔性，且相对于上百微米厚的碳基薄膜电极极大地缩小了电容器的整体体积、避开了孔隙空间浪费，从而提高了电容器的体积能量密度；2、在氧化钒纳米片阵列上包覆一层碳层，碳包覆后的氧化钒纳米片阵列电极材料导电性增强，且碳层作为保护层减少了金属氧化物在电解质中的不稳定性，所制备的电极材料表面具有很高的比表面积，使电解质能够和电极材料充分接触，极大缩短了离子扩散路径，相比于普通电极材料(金属氧化物粉末)具有更好的倍率性能；3、以柔性薄膜电极材料为正、负电极制备超级电容器(厚度约40μm)，正、负极电极材料完全相同，但发生不同的氧化还原反应形成非对称型高效储能机理，方便了电容器制造，同时，纳米尺度的金属氧化物能通过赝电容反应提供更高的电荷存储能力，和传统双电层超级电容器相比能提供更大的比容量，另外准固态氯化锂/聚乙烯醇(LiCl/PVA)凝胶电解质进一步抑制了金属氧化物结构的坍塌，增强了电极的稳定性，提高了电容器的循环性能，且避免了液态电解质泄露的问题，提高了电容器的实际使用价值。
附图说明
图1为本发明实施例1所用超薄钛片的光学照片和扫描电子显微镜图，其中a为光学照片，b为扫描电子显微镜图；
图2为实施例1所制备的超薄钛片基底上碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列的扫描电子显微镜图；
图3为实施例1所制备的超薄钛片基底上碳包覆的三氧化二钒纳米片的透射电子显微镜图；
图4为实施例1所述超薄钛片(a)、超薄钛片基底上二氧化钒纳米片阵列(b)、碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列(c)的X射线衍射图；
图5为实施例1所述超薄钛片基底上二氧化钒纳米片阵列(a)、碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列(b)的拉曼光谱图；
图6为实施例1制备的柔性薄膜电极材料的照片；
图7为实施例1制备的超薄钛片基底上碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列组装的三电极的正、负电极循环伏安图；
图8为实施例1制备的超薄钛片基底上碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列作为正极恒流充放电图；
图9为实施例1制备的超薄钛片基底上碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列作为负极恒流充放电图；
图10为实施例1制备的超薄钛片基底上碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列作为正、负电极的电量匹配图；
图11为实施例2制备的相同正、负电极(超薄钛片基底上碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列)组成的固态柔性非对称型超级电容器横截面的扫描电子显微镜图；
图12为实施例2制备的固态柔性非对称型超级电容器的循环伏安曲线图；
图13为实施例2制备的固态柔性非对称型超级电容器在不同电流密度下的恒流充放电曲线图；
图14为实施例2制备的固态柔性非对称型超级电容器在不同扫描速率下的的倍率性能图；
图15为实施例2制备的固态柔性非对称型超级电容器的功率密度-能量密度图；
图16为实施例2制备的固态柔性非对称型超级电容器在弯曲状态下点亮LED实物照片。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
制备柔性薄膜电极材料，具体步骤如下：
1)将0.2g五氧化二钒(V2O5)和0.45克二水合草酸(H2C2O4·2H2O)加入10毫升丙酮(CH3COCH3)和25毫升水的混合溶液中，用水浴磁力搅拌器于40℃搅拌24h，得到均匀蓝色溶液；
2)将10微米超薄钛片依次在盐酸和去离子水中超声洗涤，烘干，一面用厚钛片进行遮挡，然后与上述搅拌好的溶液一起置于聚四氟乙烯内胆衬底的水热反应釜中，于180℃水热反应18个小时，在钛片表面生成二氧化钒纳米片阵列，然后将长有纳米片阵列的钛片取出，用去离子水洗涤烘干后，在钛片有二氧化钒纳米片阵列一面滴加(0.165mol/L)葡萄糖溶液，烘干，重复上述滴加葡萄糖溶液及烘干过程一次，然后置于石英管式炉中进行退火处理，在氩气气氛下以10℃/min升温至550℃，保温1小时，然后随炉自然冷却在超薄钛片基底上得到碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列材料，即柔性薄膜电极材料。
图1为本实施例所用超薄钛片的光学照片和扫描电子显微镜图，由图可看出超薄钛片厚度为10μm，并且柔性良好。
将本实施例所得柔性薄膜电极材料进行测试，图2为超薄钛片基底上碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列的扫描电子显微镜图，由图可知，碳包覆的三氧化二钒纳米片厚度为30-40nm，所形成的三氧化二钒纳米片阵列厚度为400-600nm，三氧化二钒纳米片相互交错，密集、均匀地分布在钛片基底上。图3为超薄钛片基底上碳包覆的三氧化二钒纳米片的透射电子显微镜图，从图中可以看出纳米片表面碳层的厚度为5-10nm。
图4为本实施例所述超薄钛片(a)、超薄钛片基底上二氧化钒纳米片阵列(b)、碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列(c)的X射线衍射图，由图可知，纳米片阵列主要峰位与二氧化钒相同，但69°附近出现一个微弱的二氧化钛的峰，源于钛片在水热反应过程中被轻微氧化，退火处理后主要峰位与三氧化二钒完全相同，这是因为碳在高温下将二氧化钒原位还原为三氧化二钒。图5为本实施例所述超薄钛片基底上二氧化钒纳米片阵列(a)、碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列(b)的拉曼光谱图，图中可看出退火后，明显出现了碳的D峰和G峰，说明三氧化二钒纳米片表层包覆了一层部分石墨化的碳。图6为制备的超薄钛片基底上碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列材料的照片，可看出其柔性良好。图7为以上述超薄钛片基底上碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列材料作工作电极，铂电极作对电极，饱和甘汞电极作参比电极组装的三电极的正、负电极循环伏安曲线图(按箭头所指方向，扫描速率分别10mV/s，25mV/s，50mV/s和100mV/s)，由图可看出：超薄钛片基底上碳包覆的三氧化二钒纳米阵列电极作负极，在-1.0-0.1V电势区间展现出一对明显的氧化反应峰，而作正极在0.1-1.0V电势区间展现出较为矩形的循环伏安曲线，说明以该阵列材料同时作为正、负极材料组装得到的电容器为非对称电容器。图8和图9分别为以该电极材料作为正、负极时在不同电流密度下的恒电流充放电曲线图，图像近似等腰三角形，充放电曲线对称，表现出良好的电容特征，在电流密度分别为1、2、4和8mA/cm2条件下恒电流充放电时，正极放电电量分别为176.6、164.2、136.4和101.6mC/cm2，其容量保持率分别为(与电流密度为1mA/cm2时的电容相比)100％、93.0％、77.2％和57.5％。负极放电电量分别为189.1、155.4、129.2和108.8mC/cm2时，其容量保存率分别为(与电流密度为1mA/cm2时的电容相比)100％、82.2％、68.3％和57.5％。图10为本实施例制备的超薄钛片基底上碳包覆的三氧化二钒纳米阵列电极作为超级电容器正极和负极的电量匹配图，可看出其具有较好的电量匹配度和良好的倍率性能。
实施例2
制备全固态非对称型柔性薄膜超级电容器，具体步骤如下：
以实施例1制备的10微米超薄钛片基底上的碳包覆的三氧化二钒(V2O3C)纳米片阵列作为正极和负极，氯化锂/聚乙烯醇(LiCl/PVA)凝胶作为准固态电解质(配制方法为：先配制5mol/L的氯化锂溶液，然后加入聚乙烯醇粉末，聚乙烯醇粉末的质量与氯化锂溶液的体积比为0.1g/mL，于85℃水浴搅拌2-3小时，静置冷却得到)，组装成全固态非对称型柔性薄膜超级电容器。如图11为该超级电容器横截面的扫描电子显微镜图，图中电极与电解质充分接触，整个器件的厚度约为40微米。
对该超级电容器进行电化学性能测试，图12是该电容器在不同扫描速率下的循环伏安曲线图(按箭头方向，由内到外扫描速率分别为5mV/s、10mV/s、25mV/s、50mV/s和100mV/s)，由图可看出，循环伏安曲线近似于矩形，且随着扫描速率的大幅变化，曲线的形状没有显著的变化，说明该柔性超级电容器即使在快速充放电情况下亦能够保持良好的电容特征。图13为该电容器在不同电流密度下的恒流充放电曲线图(按箭头方向，电流密度分别为0.25、0.5、1、2、4、8、16和32mA/cm2)，在电流密度分别为0.25、0.5、1、2、4、8、16和32mA/cm2条件下恒电流放电时，其电容分别为102.7、103、103.5、99.3、86、77.6和69.4mF/cm2，其容量保持率分别为(与电流密度为0.25mA/cm2时的电容相比)100％、100％、100％、96.7％、87.3％和67.6％，电流密度增大128倍(由0.25mA/cm2增大到32mA/cm2)后比容量仍能保持67.6％，上述结果说明该柔性非对称型超级电容器具有优异的倍率性能。图14为该电容器在不同扫描速率下的倍率性能图，扫速从5mv/s增加到400mv/s，容量仍保留47％。图15为该电容器的功率密度-能量密度图(a)，其最大能量密度高于锂薄膜电池(b)，且在相同能量密度条件下，功率密度比锂薄膜电池高两个数量级。在相同功率密度条件下，其能量密度比商用5.5V/100mF的超级电容器(c)能量密度高10倍以上，其最大功率密度大于活性炭/活性炭体系的商用超级电容器(d)和基于光刻石墨烯电极的超级电容器(e)，且能量密度是它们的10倍以上。上述结果表明该柔性超级电容器能够同时拥有高能量密度和高功率密度。图16为本实施例制备的固态柔性非对称型超级电容器在弯曲状态下点亮LED实物照片，说明该电容器具有良好的储能效果和柔性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性薄膜电极材料，其特征在于：所述电极材料以超薄钛片为基底，在基底上分布有一层密集排列的三氧化二钒纳米片阵列，在三氧化二钒纳米片表面还包覆有一层碳材料。
2.根据权利要求1所述的柔性薄膜电极材料，其特征在于：所述三氧化二钒纳米片厚度为30-40nm，三氧化二钒纳米片阵列层厚度为400-600nm，所述碳材料厚度为5-10nm。
3.一种权利要求1或2所述柔性薄膜电极材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
1)将五氧化二钒、二水合草酸加入丙酮和水的混合溶剂中，反应得到蓝色溶液；
2)将步骤1)所得蓝色溶液和超薄钛片置于水热反应釜中，超薄钛片一面进行遮挡，于160-200℃水热反应12-18小时，水热反应结束后在钛片表面生成二氧化钒纳米片阵列，将钛片取出洗涤烘干后，在有二氧化钒纳米片阵列一面滴加葡萄糖溶液，烘干，重复上述滴加葡萄糖溶液及烘干过程，然后置于石英管式炉中进行退火处理，在钛片基底上得到碳包覆的三氧化二钒纳米片阵列材料，即柔性薄膜电极材料。
4.根据权利要求3所述的柔性薄膜电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1)所述五氧化二钒和二水合草酸摩尔比为1:3；所述丙酮和水的混合溶剂为丙酮与水按体积比1-4:3-6混合得到。
5.根据权利要求3所述的柔性薄膜电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1)所述反应条件为40℃水浴条件下搅拌24h。
6.根据权利要求3所述的柔性薄膜电极材料的制备方法，其特征在于，步骤2)所述葡萄糖溶液浓度为0.11-0.44mol/L。
7.根据权利要求3所述的柔性薄膜电极材料的制备方法，其特征在于，步骤2)所述退火处理的工艺为：氩气气氛下以10℃/min升温至550℃，保温1小时，然后随炉自然冷却。
8.一种以权利要求1或2所述的柔性薄膜电极材料为正、负电极的全固态非对称型柔性薄膜超级电容器。
9.根据权利要求8所述的全固态非对称型柔性薄膜超级电容器，其特征在于，以氯化锂/聚乙烯醇凝胶作为准固态电解质。
10.根据权利要求9所述的全固态非对称型柔性薄膜超级电容器，其特征在于，所述氯化锂/聚乙烯醇凝胶的制备方法为：先配制5mol/L的氯化锂溶液，然后加入聚乙烯醇粉末，聚乙烯醇粉末的质量与氯化锂溶液的体积比为0.1g/mL，于85℃水浴搅拌2-3小时，静置冷却得到。
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