CN112164597B - 氧化铜纳米阵列电极、氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池领域，具体而言，涉及氧化铜纳米阵列电极、氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件及其制备方法；氧化铜纳米阵列电极的制备方法，包括利用金属基底和碱性溶液，通过直流稳定电源阳极氧化法制得金属氢氧化物电极。本发明的制备方法通过直接阳极氧化法在金属基底制备出纳米阵列，能够有效地提高材料的比表面积，并且不需要电极的二次制备和添加一定比例的粘结剂，这可有效地降低电极的内阻；制备方法操作简单，且得到的氧化铜纳米阵列电极既满足水系储能器件优异的电化学性能，又满足固态柔性超级电容器便携性和可穿戴性。

Description

氧化铜纳米阵列电极、氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储 能器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及电池领域，具体而言，涉及氧化铜纳米阵列电极、氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件及其制备方法。
背景技术
目前，可穿戴电子设备正在人们生活中广泛应用。其中，柔性储能器件是可穿戴电子设备关键的核心组成。由于随身佩戴的特点对其使用的储能器件安全性提出了更高的要求。虽然，电池具有较高的能量密度，但有机电解液的挥发性和易燃性导致了严重的安全隐患。因此，具有充电速度快、安全性高和循环寿命长等优点的水系储能器件，更能满足可穿戴电子设备的需求。
水系储能器件因其离子电导率高，使得电解液/电极之间能够充分反应，从而具有优异的电化学性能。然而，相关技术提供的水系储能器件存在不能弯曲、不方便携带等问题使其并不适合应用在柔性电子设备中。与此同时，全固态柔性储能器件由于良好的柔韧弯曲性、便携带和可拉伸等特点可以很好地应用于柔性显示器、便携式电子器和可穿戴等设备中，但是，仍存固态电解液/电极之间接触电阻和离子传输等问题难以解决，使其电化学性能远低于水系储能器件。
发明内容
本发明的目的在于提供氧化铜纳米阵列电极、氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件及其制备方法，该方法制备的氧化铜纳米阵列电极、以及用该氧化铜纳米阵列电极制备的氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件，既满足水系储能器件优异的电化学性能，又满足固态柔性超级电容器便携性和可穿戴性。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种氧化铜纳米阵列电极的制备方法，包括利用金属基底和碱性溶液，通过直流稳定电源阳极氧化法制得金属氢氧化物电极。
在可选的实施方式中，还包括用酸溶液和醇溶液对金属基底进行清洗；
然后再利用清洗过的金属基底和碱性溶液，通过直流稳定电源阳极氧化法制得金属氢氧化物电极。
在可选的实施方式中，金属基底包括铜。
在可选的实施方式中，碱性溶液为KOH溶液，浓度为2-6M。
在可选的实施方式中，直流稳定电源阳极氧化法的阳极氧化电压为1-3V。
在可选的实施方式中，还包括通过烧结将金属氢氧化物电极失水制得金属氧化物纳米线。
在可选的实施方式中，烧结金属氢氧化物电极在氩气氛围下进行；优选地，烧结包括在140-160℃保温一段时间之后，再在200-350℃保温。
第二方面，本发明实施例提供一种氧化铜纳米阵列电极，其是由前述实施方式任一项的氧化铜纳米阵列电极的制备方法制得的。
第三方面，本发明实施例提供一种氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件，包括前述实施方式的氧化铜纳米阵列电极。
第四方面，本发明实施例提供一种如前述实施方式的氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件的制备方法，包括：将氧化铜纳米阵列电极用隔膜分开，对称地组装在水系电极液中，再封装在塑料薄膜内。
本发明实施例的氧化铜纳米阵列电极的制备方法的有益效果包括：本发明实施例提供的氧化铜纳米阵列电极的制备方法通过直接阳极氧化法在金属基底制备出纳米阵列，能够有效地提高材料的比表面积，并且不需要电极的二次制备和添加一定比例的粘结剂，这可有效地降低电极的内阻；制备方法操作简单，且得到的氧化铜纳米阵列电极既满足水系储能器件优异的电化学性能，又满足固态柔性超级电容器便携性和可穿戴性。
本发明实施例的氧化铜纳米阵列电极的有益效果包括：本发明实施例的氧化铜纳米阵列电极由上述的制备方法制得，其既满足水系储能器件优异的电化学性能，又满足固态柔性超级电容器便携性和可穿戴性。
本发明实施例的氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件的有益效果包括：本发明实施例提供的氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件包括上述的氧化铜纳米阵列电极，其既满足水系储能器件优异的电化学性能，又满足固态柔性超级电容器便携性和可穿戴性，便于利用于可穿戴的电子设备中。
本发明实施例的氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件的制备方法的有益效果包括：本发明提供的氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件的制备方法利用上述氧化铜纳米阵列电极制备非固态水系柔性储能器件，使得制备出的非固态水系柔性储能器件既满足水系储能器件优异的电化学性能，又满足固态柔性超级电容器便携性和可穿戴性，便于利用于可穿戴的电子设备中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1中的氧化铜纳米阵列电极的扫描电镜(SEM)图；
图2为本发明实施例1中的氧化铜纳米阵列电极的XRD光谱图；
图3为本发明实施例1中的氧化铜纳米阵列电极在三电极体系下不同扫描速率的循环伏安图；
图4为本发明实施例1中的氧化铜纳米阵列电极在三电极体系下不同扫描速率的面积比容量图；
图5为本发明实施例1中的氧化铜纳米阵列电极在三电极体系下电化学阻抗谱图；
图6为本发明实施例1中的对称超级电容器在不同扫描速率的循环伏安图；
图7为本发明实施例1中的对称超级电容器在不同扫描速率的面积比容量图；
图8为本发明实施例1中的对称超级电容器电化学阻抗谱图；
图9为本发明实施例1中的对称超级电容器在不同弯曲程度下的柔性展示和串联后点亮LED灯图，其中：a为本发明实施例1中的对称超级电容器在初始0°下的柔性展示图；b为本发明实施例1中的对称超级电容器在弯曲45°下的柔性展示图；c为本发明实施例1中的对称超级电容器在弯曲90°下的柔性展示图；d为本发明实施例1中的对称超级电容器在弯曲135°下的柔性展示图；e为本发明实施例1中的对称超级电容器在弯曲180°下的柔性展示图；f为本发明实施例1中的对称超级电容器串联后点亮LED灯图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明提供一种氧化铜纳米阵列电极的制备方法，其包括利用金属基底和碱性溶液，通过直流稳定电源阳极氧化法制得金属氢氧化物电极。
这样一来，通过直接阳极氧化法在金属基底制备出纳米阵列，能够有效地提高材料的比表面积，并且不需要电极的二次制备和添加一定比例的粘结剂，这可有效地降低电极的内阻；制备方法操作简单，且得到的氧化铜纳米阵列电极既满足水系储能器件优异的电化学性能，又满足固态柔性超级电容器便携性和可穿戴性。
本发明提供的氧化铜纳米阵列电极的制备方法具体包括：
用酸溶液和醇溶液对金属基底进行清洗；具体地，将金属基底依次在去离子水，酸溶液和乙醇中超声清洗，并真空干燥。
之后利用一定浓度的碱性溶液，通过直流稳定电源阳极氧化法制得金属氢氧化物电极。
通过烧结将金属氢氧化物电极失水制得金属氧化物纳米线。
其中，金属基底包括铜；具体地，金属基底为具有良好导电性的商用金属铜片。
碱性溶液为KOH溶液，浓度为2-6M；阳极氧化电压为1-3V，时间20-60min，电解池中阳极为铜片，阴极为铂片，金属氢氧化物为Cu(OH)2，金属氧化物为CuO。
高温烧结金属氢氧化物电极在氩气氛围下进行。优选地，高温烧结包括在140-160℃保温一段时间之后，再在200-350℃保温；具体地，高温烧结包括在140-160℃保温3h左右，再在200-350℃保温3h左右。
本公开通过直接阳极氧化法在具有柔性铜片基底上制备出氧化铜纳米阵列，能够有效地提高材料的比表面积，并且不需要电极的二次制备和添加一定比例的粘结剂，这可有效地降低电极的内阻。
需要说明的是，上述酸性溶液可以是盐酸、草酸、硫酸等，酸性溶液的浓度可以是任意浓度，例如：1mol/L、2mol/L、0.5mol/L等，可以根据需要选择，在此不作具体限定。上述乙醇溶液的体积浓度可以是95％、85％等，在此不作具体限定。
本发明的氧化铜纳米阵列电极的制备方法制备的氧化铜纳米阵列电极能够用于制备氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件，其制备方法包括：将氧化铜纳米阵列电极用隔膜分开，对称地组装在水系电极液中，再封装在塑料薄膜内。需要说明的是，上述隔膜和水系电极液与相关技术类似，在此不再赘述。
以下实施例将针对氧化铜纳米阵列电极以及氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件的制备方法，进行详细描述。
实施例1
制备氧化铜纳米阵列电极：
a.将商用金属铜片依次在去离子水，酸溶液和乙醇中超声清洗，并真空干燥；
b.配置6M的KOH电解液，使用直流稳定电源，通过阳极氧化法，电压为1V，时间20min，制得Cu(OH)2电极；
c.在氩气氛围下，通过高温先150℃保温3h，再200℃保温3h。将Cu(OH)2失水制得CuO纳米线。
作为氧化铜纳米阵列电极材料的表征如下：
通过扫描电镜(SEM)对样品表面形态表征，如图1所示。从图1中可以看出，通过阳极氧化法在金属铜片表面直接生长出了均匀阵列，从而有效地提高了材料的比表面积，并且不需要电极的二次制备和添加一定比例的粘结剂，这可有效地降低电极的内阻。
通过XRD光谱图样品表面形态表征，如图2所示。从图2中可以看出，证明了在商用金属铜片上生长了CuO。
对制得的氧化铜纳米阵列电极其电化学测试方法为：将所述氧化铜纳米阵列电极直接侵入2M KOH溶液中，在三电极体系中(氧化铜纳米阵列电极为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl为参比电极)，循环伏安曲线电压窗口为0～0.5V，改变不同扫描速率得到不同扫描速率下的循环伏安曲线，如图3所示；计算不同扫描速率的面积比容量，如图4所示；在105HZ到0.01Hz的频率下进行电化学阻抗谱测试，如图5所示。
电化学测试如下：
在氧化铜纳米阵列三电极体系中，扫描速率从5mV s-1～200mV s-1，获得在各个速率下的循环伏安曲线，随着速率的增加，该电极的循环伏安曲线仍然能保持良好的形状，如图3所示；由于该电极良好的电子和离子运输能力，导致在5mV s-1时，该电极的面积比容量高达58.54mF cm-2，如图4所示；该电极的溶液电阻仅有约0.57ohm，并且高频区斜率也较大，表明在KOH电解液中该电极具有良好的电化学性能，如图5所示。
用制得的氧化铜纳米阵列电极制备氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件：将所述氧化铜纳米阵列电极用隔膜分开，对称地组装在水系电极液中，再封装在塑料薄膜内。
通过隔膜将两片氧化铜纳米阵列电极组装成对称超级电容器，其电化学测试方法为：将所述两片氧化铜纳米阵列电极用隔膜组装，并侵入2M KOH溶液的塑料袋中，然后封压机封口，循环伏安曲线电压窗口为0～1V，改变不同扫描速率得到不同扫描速率下的循环伏安曲线，如图6所示；计算不同扫描速率的面积比容量，如图7所示；在105HZ到0.01Hz的频率下进行电化学阻抗谱测试，如图8所示。
在对称超级电容器两电极体系中，扫描速率从5mV s-1～200mV s-1，获得在各个速率下的循环伏安曲线，随着速率的增加，该电极的循环伏安曲线仍然能保持良好的形状，如图6所示；由于该电极良好的电子和离子运输能力，导致在5mV s-1时，该电极的面积比容量高达87.22mF cm-2，如图7所示；该电极的溶液电阻仅有约0.35ohm，并且高频区斜率也较大，表明在KOH电解液中该电极具有良好的电化学性能，如图8所示。
如图9所示，展示了制备的水系柔性对称超级电容器在0～180°弯曲程度的柔性度和三个对称超级电容器串联后点亮LED灯的实物图。表明本发明制得的超级电容器既具水系超级电容器优异的电化学性能又具固态柔性超级电容器便携式和可穿戴等优点的对称超级电容器，可直接应用在人们日常的电子设备中。
实施例2
制备氧化铜纳米阵列电极：
将商用金属铜片依次在去离子水，酸溶液和乙醇中超声清洗，并真空干燥；
配置2M的KOH电解液，使用直流稳定电源，通过阳极氧化法，电压为3V，时间60min，制得Cu(OH)2电极；
在氩气氛围下，通过高温先160℃保温2h，再250℃保温2.5h。将Cu(OH)2失水制得CuO纳米线。
用制得的氧化铜纳米阵列电极制备氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件：将所述氧化铜纳米阵列电极用隔膜分开，对称地组装在水系电极液中，再封装在塑料薄膜内。
实施例3
制备氧化铜纳米阵列电极：
将商用金属铜片依次在去离子水，酸溶液和乙醇中超声清洗，并真空干燥；
配置3M的KOH电解液，使用直流稳定电源，通过阳极氧化法，电压为2V，时间40min，制得Cu(OH)2电极；
在氩气氛围下，通过高温先140℃保温3.5h，再550℃保温2h。将Cu(OH)2失水制得CuO纳米线。
用制得的氧化铜纳米阵列电极制备氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件：将所述氧化铜纳米阵列电极用隔膜分开，对称地组装在水系电极液中，再封装在塑料薄膜内。
实施例4
制备氧化铜纳米阵列电极：
将商用金属铜片依次在去离子水，酸溶液和乙醇中超声清洗，并真空干燥；
配置5M的KOH电解液，使用直流稳定电源，通过阳极氧化法，电压为1.5V，时间30min，制得Cu(OH)2电极；
在氩气氛围下，通过高温先150℃保温2.5h，再270℃保温3h。将Cu(OH)2失水制得CuO纳米线。
用制得的氧化铜纳米阵列电极制备氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件：将所述氧化铜纳米阵列电极用隔膜分开，对称地组装在水系电极液中，再封装在塑料薄膜内。
实施例5
制备氧化铜纳米阵列电极：
将商用金属铜片依次在去离子水，酸溶液和乙醇中超声清洗，并真空干燥；
配置3M的KOH电解液，使用直流稳定电源，通过阳极氧化法，电压为4V，时间45min，制得Cu(OH)2电极；
在氩气氛围下，通过高温先150℃保温3h，再230℃保温3h。将Cu(OH)2失水制得CuO纳米线。
用制得的氧化铜纳米阵列电极制备氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件：将所述氧化铜纳米阵列电极用隔膜分开，对称地组装在水系电极液中，再封装在塑料薄膜内。
综上所述，本发明提供的氧化铜纳米阵列电极的制备方法通过直接阳极氧化法在金属基底制备出纳米阵列，能够有效地提高材料的比表面积，并且不需要电极的二次制备和添加一定比例的粘结剂，这可有效地降低电极的内阻；制备方法操作简单，且得到的氧化铜纳米阵列电极既满足水系储能器件优异的电化学性能，又满足固态柔性超级电容器便携性和可穿戴性；本发明提供的氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件由本发明的制备方法制备的氧化铜纳米阵列电极制成，满足可穿戴的电子设备的需求，便于利用于可穿戴的电子设备中。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种氧化铜纳米阵列电极的制备方法，其特征在于，包括利用金属基底和碱性溶液，通过直流稳定电源阳极氧化法制得金属氢氧化物电极；通过烧结将所述金属氢氧化物电极失水制得金属氧化物纳米线；其中，
所述碱性溶液为KOH溶液，浓度为2-6M；
所述直流稳定电源阳极氧化法的阳极氧化电压为1-3V；
所述烧结所述金属氢氧化物电极在氩气氛围下进行；且所述烧结包括在140-160℃保温一段时间之后，再在200-350℃保温。
2.根据权利要求1所述的氧化铜纳米阵列电极的制备方法，其特征在于，还包括用酸溶液和醇溶液对所述金属基底进行清洗；
然后再利用清洗过的所述金属基底和所述碱性溶液，通过所述直流稳定电源阳极氧化法制得所述金属氢氧化物电极。
3.根据权利要求1所述的氧化铜纳米阵列电极的制备方法，其特征在于，所述金属基底包括铜。
4.一种氧化铜纳米阵列电极，其特征在于，其是由权利要求1-3任一项所述的氧化铜纳米阵列电极的制备方法制得的。
5.一种氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件，其特征在于，包括权利要求4所述的氧化铜纳米阵列电极。
6.一种如权利要求5所述的氧化铜纳米阵列的非固态水系柔性储能器件的制备方法，其特征在于，包括：将所述氧化铜纳米阵列电极用隔膜分开，对称地组装在水系电极液中，再封装在塑料薄膜内。
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Assignee: GUANGXI CHAOXING SOLAR ENERGY TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: GUILIN University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022450000497

Denomination of invention: Copper oxide nano array electrode, non solid water flexible energy storage device of copper oxide nano array and its preparation method

Granted publication date: 20220527

License type: Common License

Record date: 20221229

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