CN109461596A - 一种基于碳化钛的柔性超薄全固态超级电容器的制备方法和应用 - Google Patents

一种基于碳化钛的柔性超薄全固态超级电容器的制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于碳化钛的柔性超薄全固态超级电容器的制备方法和应用，该超级电容器为三明治结构，是将碳化钛(Ti3C2)超薄纳米片的分散液通过真空抽滤技术制成柔性电极后在两片柔性电极间涂覆H2SO4/PVA凝胶组成的，操作方法简单，常温常压条件下即可完成；利用本发明公开方法制备的柔性超薄全固态超级电容器具有优异的电化学储能性质和良好的机械性能，厚度仅为190‑210μm，属于超薄型储能器件，能够为微型便携式电子设备提供能量。

Description

一种基于碳化钛的柔性超薄全固态超级电容器的制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及电容技术领域，具体是涉及一种基于碳化钛的柔性超薄全固态超级电容器的制备方法与其在电化学储能领域的应用。
背景技术
随着电子技术的快速发展，电子传感器、柔性显示器、健康监护仪等可穿戴式电子设备受到各界的广泛关注并取得了飞速的发展。可穿戴电子器件具有柔性、智能、轻薄的特点，传统的刚性、大体积块状电池显然难以满足该类器件的储能需求，为了匹配可穿戴电子设备，必须开发出能与之兼容的更加轻、薄、柔性的储能器件。
柔性全固态超级电容器由柔性薄膜电极和固态凝胶电解质组成，因具有可快速充放电、高比电容、高的功率密度、超长的循环寿命、安全环保和优良的力学性能以及宽的使用温度范围等优点受到科学界和产业界的广泛关注，是新一代柔性电子器件的关键设备。不同于传统电容器的是，柔性超级电容器中，基地、电极和电解质均是柔性的，能够赋予电容器各种各样的形状，可以提供更加丰富的形态和功能，能够满足电子设备的发展需求。
二维电极材料可用于制备柔性全固态超级电容器，其本身的性质有助于增加材料的表面积和活性部位的利用率，同时减少离子的扩散距离，从而增加材料的电容值和倍率特性。基于二维Ti3C2超薄纳米片的柔性超薄超级电容器的研制，不仅可以促进新电极材料的发展，它还可以有效的促进柔性超薄储能器件发展及其成为便携式电子设备功能的应用。
本发明提供了一种通过真空抽滤技术制备基于Ti3C2纳米片的柔性电极，并在两个柔性电极之间涂覆H2SO4/PVA凝胶作为固态电解质，最终组装成三明治结构的碳化钛柔性超薄全固态超级电容器的方法。该电容器不仅具有良好的柔性、超薄性等机械特性，还具有优异的电化学储能性能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的不足，发展一种低成本，低能耗，制备工艺简单、储能性质优异、机械性能良好的基于碳化钛的柔性超薄全固态超级电容器。
本发明的技术方案为：一种基于碳化钛的柔性超薄全固态超级电容器的制备方法，具体操作步骤为：将Ti3C2超薄纳米片分散液采用真空抽滤技术抽滤成膜，于室温下干燥6h形成柔性薄膜电极，在一块柔性薄膜电极一侧涂覆H2SO4/PVA 凝胶，将涂覆凝胶的电极置于40℃烘箱中干燥15min，取出后在凝胶一侧覆盖上另一片经干燥的柔性薄膜电极后放置于40℃烘箱中干燥5h，组装成三明治结构的柔性超薄全固态超级电容器。
进一步地，所述基于碳化钛的柔性超薄全固态超级电容器的厚度为190-210 μm。
进一步地，所述Ti3C2纳米片的制备步骤为：
1)LiF与9M HCl混合，磁力搅拌至LiF完全溶解，缓慢加入与LiF等质量的Ti3AlC2，将混合物置于反应釜中，在60℃条件下反应72h；
2)将产物在3500rpm，5min的条件下进行离心处理，用去离子水将步骤1 中产物洗至pH>6，并真空干燥；
3)步骤2中获得的物质经干燥后按10g/L的浓度分散在去离子水中，在600 W的频率下超声4h；
4)将超声后的溶液在3500rpm，1h条件下离心，上层悬浮液体即为Ti3C2超薄纳米片。
进一步地，所述基于碳化钛的柔性超薄全固态超级电容器可应用在电化学储能中。
本发明的有益效果为：
(1)本发明所述的基于碳化钛的柔性超薄全固态超级电容器的制备方法简单，常温常压条件下即可完成；
(2)利用本发明公开方法制备的碳化钛柔性超薄全固态超级电容器厚度仅为190-210μm，属于超薄型储能器件，可为微型便携式电子设备提供能量；
(3)利用本发明公开方法制备的碳化钛柔性超薄全固态超级电容器具有良好的机械性能，可在不同角度下进行弯折，该性质便于为柔性便携电子设备提供能量；
(4)利用本发明公开方法制备的碳化钛柔性超薄全固态超级电容器具有优异的电化学储能性质。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的Ti3C2超薄纳米片的SEM照片；
图2为本发明实施例1得到的Ti3C2超薄纳米片的TEM照片；
图3为本发明实施例11得到的Ti3C2超薄纳米片的AFM照片；
图4为本发明实施例1得到的Ti3C2薄膜电极的顶视图SEM照片；
图5为本发明实施例1得到的Ti3C2薄膜电极的侧视图SEM照片；
图6为本发明实施例1得到的Ti3C2柔性超薄全固态超级电容器的顶视图光学照片；
图7为本发明实施例1得到的Ti3C2柔性超薄全固态超级电容器的弯折图；
图8为本发明实施例2得到的Ti3C2柔性超薄全固态超级电容器的CV图；
图9为本发明实施例3得到的Ti3C2柔性超薄全固态超级电容器的GCD图。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
实施例1：基于碳化钛的柔性超薄全固态超级电容器
步骤一：Ti3C2制备
(1)将1g LiF分散在20mL 9M HCl中，磁力搅拌至LiF完全溶解；
(2)为防止局部过热，缓慢加入1g Ti3AlC2；
(3)将混合物置于反应釜中，于60℃条件下反应72h；
(4)将产物进行离心处理(3500rpm/5min)，用去离子水洗涤6次，用乙醇洗涤2次，真空干燥；
(5)将干燥后的产物称量0.1g分散于10mL去离子水中，在600W条件下，超声4h；
(6)将超声后的产物进行离心处理(3500rpm，1h)，上清液即为所需物质。
步骤二：Ti3C2柔性电极的制备
采用真空抽滤技术，将10mL 0.01g/mL Ti3C2分散液抽滤成膜，室温下干燥 6h。
步骤三：Ti3C2柔性超薄全固态超级电容器的制备
在柔性电极的一侧涂覆H2SO4/PVA凝胶，凝胶总质量为0.022g，将涂覆凝胶的电极置于40℃烘箱中干燥15min后，在凝胶一侧覆盖上另一片电极并放置于40℃烘箱中干燥5h即形成三明治结构的柔性超薄全固态超级电容器。
经测试，该柔性超薄全固态超级电容器的厚度仅为0.191mm，属于超薄型储能器件，可为微型便携式电子设备提供能量，具有优异的电化学储能性质。
由附图1、2、3可以看出Ti3C2超薄纳米片的尺寸约为200nm，平均厚度约为1.3nm。由附图5可以看出Ti3C2薄膜电极厚度仅为10μm，且具有层状结构，孔道有利于离子传输。
图7为该柔性超薄全固态超级电容器的弯折图，从图中可以看出制备得到的超级电容器具有优异的机械性能，抗弯折性强，电极结构稳定。
实施例2：Ti3C2柔性超薄全固态超级电容器的循环伏安测试
电容器尺寸：1.5cm×0.6cm；正负极：Ti3C2柔性电极；电解质：H2SO4/PVA 凝胶；电压范围：-0.3V～0.3V；扫速：1mV/s，2mV/s，5mV/s，10mV/s，20mV/s， 30mV/s，50mV/s。
如图8所示，Ti3C2柔性超薄全固态超级电容器在1mV/s的扫速下比电容值达到0.328F cm-2，电化学性能优异。
实施例3：Ti3C2柔性超薄全固态超级电容器的恒流充放电测试
电容器尺寸：1.5cm×0.6cm；正负极：Ti3C2柔性电极；电解质：H2SO4/PVA 凝胶；电压范围：-0.3V～0.3V；电流密度：3mA cm-2，5mA cm-2，10mA cm-2， 20mA cm-2，30mA cm-2。
如图9所示，Ti3C2柔性超薄全固态超级电容器在3mA cm-2的电流密度下，面积比电容值达1F cm-2。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (4)

1.一种基于碳化钛的柔性超薄全固态超级电容器的制备方法，其特征在于，具体制备步骤为：先将Ti3C2超薄纳米片分散液采用真空抽滤技术抽滤成膜，于室温下干燥6h形成柔性薄膜电极，在一块柔性薄膜电极一侧涂覆H2SO4/PVA凝胶，将涂覆凝胶的电极置于40℃烘箱中干燥15min，取出后在凝胶一侧覆盖上另一片经干燥的柔性薄膜电极后放置于40℃烘箱中干燥5h，组装成三明治结构的柔性超薄全固态超级电容器。
2.如权利要求1所述的一种基于碳化钛的柔性超薄全固态超级电容器的制备方法，其特征在于，制备出的柔性超薄全固态超级电容器的厚度为190-210μm。
3.如权利要求2所述的一种基于碳化钛的柔性超薄全固态超级电容器的制备方法，其特征在于，所述Ti3C2纳米片的制备步骤为：
1)LiF与9M HCl混合，磁力搅拌至LiF完全溶解，缓慢加入与LiF等质量的Ti3AlC2，将混合物置于反应釜中，在60℃条件下反应72h；
2)将产物在3500rpm，5min的条件下进行离心处理，用去离子水将步骤1中产物洗至pH>6，并真空干燥；
3)步骤2中获得的物质经干燥后按10g/L的浓度分散在去离子水中，在600W的频率下超声4h；
4)将超声后的溶液在3500rpm，1h条件下离心，上层悬浮液体即为Ti3C2超薄纳米片。
4.如权利要求1-3中任一项所述的一种基于碳化钛的柔性超薄全固态超级电容器在电化学储能中的应用。
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