CN115938814A - 一种形貌可重构的结构超级电容器及其制备方法 - Google Patents

一种形貌可重构的结构超级电容器及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115938814A
CN115938814A CN202211550746.0A CN202211550746A CN115938814A CN 115938814 A CN115938814 A CN 115938814A CN 202211550746 A CN202211550746 A CN 202211550746A CN 115938814 A CN115938814 A CN 115938814A
Authority
CN
China
Prior art keywords
polymer electrolyte
diaphragm
reconfigurable
carbon fiber
solid polymer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211550746.0A
Other languages
English (en)
Inventor
刘卫东
李志运
何庆一
潘放
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Feynman Technology Qingdao Co ltd
Jilin University
Original Assignee
Feynman Technology Qingdao Co ltd
Jilin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Feynman Technology Qingdao Co ltd, Jilin University filed Critical Feynman Technology Qingdao Co ltd
Priority to CN202211550746.0A priority Critical patent/CN115938814A/zh
Publication of CN115938814A publication Critical patent/CN115938814A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

本发明公开了一种形貌可重构的结构超级电容器，包括两个碳纤维电极以及设置于两个所述碳纤维电极之间的隔膜、电解质以及填充基体，所述电解质为固态聚合物电解质，所述隔膜为纤维隔膜，所述固态聚合物电解质与所述纤维隔膜浸润形成复合层，所述填充基体为热塑性片材。本发明采用上述结构的形貌可重构的结构超级电容器，具备结构承载和储能性能，可制备出各种异构件。其中填充的热塑性树脂具有加热可软化的特点，可根据需求实现器件的多次形貌重构，并且取材经济广泛，制备工艺简单，性能稳定，易于规模化推广。

Description

一种形貌可重构的结构超级电容器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种超级电容器技术，尤其涉及一种形貌可重构的结构超级电容器及其制备方法。
背景技术
轻质结构超级电容器主要由多层碳纤维以及树脂聚合物构成，其中碳纤维作为结构超级电容器的电极，而碳纤维层间的共混聚合物作为超级电容器的电解质，通过设计、铺设、浸渍、封装和成型工艺制成可替代传统车辆金属车体钣金的复合材料。该复合材料兼具结构承载和储能功能，可部分替代现有的车载标准电池，最大程度减轻车身重量、扩大车载空间，同时增加车辆续航能力。
现有技术文献US15/472,119公开了一种碳纤维电极与碳基固体聚合物电解质相结合，利用多层蜂窝状材料(蜂窝结构包括由绝缘材料，多孔材料或导电材料制成的材料)夹在电极之间，制造结构强度增强的超级电容器。该结构超级电容器的缺点一是夹在电极中的材料是通过粘接的方式和碳纤维连接，抗弯强度很弱；缺点二是应用了液态电解质，易发生泄漏和存在安全风险。
发明内容
本发明的目的是提供一种形貌可重构的结构超级电容器，同时具备结构承载和储能性能，可制备出各种异构件，且制备方法工艺简单，性能稳定，易于规模化推广。
为实现上述目的，本发明提供了一种形貌可重构的结构超级电容器，包括两个碳纤维电极以及设置于两个所述碳纤维电极之间的隔膜、电解质以及填充基体，所述电解质为固态聚合物电解质，所述隔膜为纤维隔膜，所述固态聚合物电解质与所述纤维隔膜浸润形成复合层。
优选的，固态聚合物电解质含有15～60％高分子聚合物、5～40％锂盐和5～80％离子液体。
优选的，所述聚合物可为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚氧化乙烷、聚乙烯醇中的一种及其任意组合。
优选的，所述锂盐可为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、双(氟磺酰基)亚胺锂、双(三氟甲基磺酰基)亚胺锂中的一种及其任意组合。
优选的，所述离子液体可为1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(氟磺酰基)亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-2，3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓碘化物中的一种及其任意组合。
优选的，纤维隔膜为厚度在50～300μm的高强度、高韧性纤维膜结构。
优选的，所述纤维膜可为玻璃纤维布、芳纶布或无纺尼龙布。
优选的，所述填充基体为热塑性树脂。
优选的，所述热塑性树脂包括但不限定为聚乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯酯树脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜中的一种及其任意组合。
形貌可重构的结构超级电容器的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备碳纤维电极
S2、制备固态聚合物电解质/纤维隔膜复合层
S20、将固态聚合物电解质放入乙腈溶液中充分搅拌混合得到聚合物电解质浆料；
S21、将纤维隔膜裁剪成块；
S22、将聚合物电解质浆料涂覆至块状纤维隔膜的设计储能区，烘干备用；
S3、铺叠
按照碳纤维电极、固态聚合物电解质/纤维隔膜复合层、碳纤维电极的顺序铺叠，形成储能区；并在复合层上下面和碳纤维电极之间的无固态聚合物电解质区域铺设热塑性基体形成热压成型后的承载区，复合铺叠后制成铺层体；
S30、热压成型
将铺层体放置到热压机中，热成型温度为75～250℃，施加压力为1～5MPa，加热熔融浸润，施加压力加热软化，软化处理温度为70～180℃，而后冷却，得到结构超级电容器；
S4、形貌重塑
经热处理或局部加热软化，形貌再定型，冷却后实现结构超级电容器的形貌重构；
形貌重塑的软化方式是通过加热平板，热烘箱，热风枪等设备完成。将加热软化后的结构超级电容器放入另一模具，在力的作用下实现重塑。软化温度为70～180℃。
因此，本发明采用上述结构的形貌可重构的结构超级电容器，同时具备结构承载和储能性能，可制备出各种异构件，且制备方法工艺简单，性能稳定，易于规模化推广。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的形貌可重构的结构超级电容器的横截面示意图；
图2为本发明的在纤维隔膜上电解质区与树脂基体区设计和铺设结构图；
图3为覆盖在图2铺层之上的碳纤维层结构图；
图4为覆盖在图3碳纤维层之上的树脂基体层。
其中：1、碳纤维电极；2、纤维隔膜；3、电解质；4、基体。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
图1为本发明的形貌可重构的结构超级电容器的横截面示意图，图2为本发明的在纤维隔膜上电解质区与树脂基体区设计和铺设结构图；图3为覆盖在图2铺层之上的碳纤维层结构图；图4为覆盖在图3碳纤维层之上的树脂基体层。如图1-图4所示，本发明的结构包括两个碳纤维电极以及设置于两个所述碳纤维电极之间的隔膜、电解质3以及填充基体4，所述电解质3为固态聚合物电解质，所述隔膜为纤维隔膜2，所述固态聚合物电解质与所述纤维隔膜2浸润形成复合层。
其中，固态聚合物电解质含有15～60％高分子聚合物、5～40％锂盐和5～80％离子液体。优选的，所述聚合物可为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚氧化乙烷(PEO)、聚乙烯醇(PVA)中的一种及其任意组合。优选的，所述锂盐为六氟磷酸锂(LiPO4F6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)、双(氟磺酰基)亚胺锂(LiFSI)、双(三氟甲基磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)中的一种及其任意组合。优选的，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(氟磺酰基)亚胺(EMIMFSI)、1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺(EMIMTFSI)、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMIBF4)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIMBF4)、1-丁基-2，3-二甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIMBF4)、1-丁基-3-甲基咪唑鎓碘化物(BMIMI)中的一种及其任意组合。
优选的，纤维隔膜2为厚度在50～300μm的高强度、高韧性纤维膜结构。优选的，所述纤维膜可为玻璃纤维布、芳纶布或无纺尼龙布。
优选的，所述填充基体为热塑性树脂，所述热塑性树脂包括但不限定为聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，乙烯-醋酸乙烯酯树脂(EVA)，聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚苯醚、聚砜中的一种及其任意组合。
形貌可重构的结构超级电容器的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备碳纤维电极
S2、制备固态聚合物电解质/纤维隔膜复合层
S20、将固态聚合物电解质放入乙腈溶液中充分搅拌混合得到聚合物电解质3浆料；
S21、将纤维隔膜2裁剪成块；
S22、将聚合物电解质3浆料涂覆至块状纤维隔膜2的设计储能区，烘干备用；
S3、铺叠
按照碳纤维电极、固态聚合物电解质/纤维隔膜复合层、碳纤维电极的顺序铺叠，形成储能区；并在复合层上下面和碳纤维电极之间的无固态聚合物电解质区域铺设热塑性基体形成热压成型后的承载区，复合铺叠后制成铺层体；本实施例中热塑树脂面积(承载区)比例是5～95％，固态电解质3面积(储能区)比例是5～95％；
S30、热压成型
将铺层体放置到热压机中，热成型温度为75～250℃，施加压力为1～5MPa，加热熔融浸润，施加压力加热软化，软化处理温度为70～180℃，而后冷却，得到结构超级电容器；
S4、形貌重塑
经热处理或局部加热软化，形貌再定型，冷却后实现结构超级电容器的形貌重构；
形貌重塑的软化方式为是通过加热平板，热烘箱，热风枪等设备完成。将加热软化后的结构超级电容器放入另一模具，在力的作用下实现重塑。软化温度为70～180℃。
为进一步说明本发明，公开以下实施例：
实施例1
将聚丙烯腈类碳纤维布用丙酮清洗，50℃烘干12h，裁成两片100*100mm碳纤维方块，用KOH溶液浸润碳纤维布，40℃烘干24h，管式炉800℃处理1h，KOH改性碳纤维电极。固态聚合物电解质无纺尼龙布复合膜的制备是用聚乙烯醇(PVA)、双(三氟甲基磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)和1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMIBF4)在乙腈溶液中充分搅拌混合得到聚合物电解质浆料，裁取110*110mm的无纺尼龙布，将固态聚合物电解质溶液涂覆无纺尼龙布的80*80mm区域，50℃烘干待用。采用聚乙烯树脂片材/碳纤维电极/固态聚合物电解质复合膜/碳纤维电极/聚乙烯树脂片材进行铺层，放入平板硫化机中150℃，5MPa热压0.5h，冷却，得到结构超级电容器。再次放入异形模具中，平板硫化机中施加1MPa的力，120℃保持1h，冷却后得到形貌重构结构超级电容器异构件。
实施例2
将聚丙烯腈类碳纤维布用丙酮清洗，50℃烘干12h，裁成两片100*100mm碳纤维方块，用KOH溶液浸润碳纤维布，50℃烘干24h，管式炉1000℃处理1h，制备出KOH改性碳纤维电极。固态聚合物电解质玻璃纤维布复合膜的制备是用聚偏氟乙烯(PVDF)、六氟磷酸锂L(iPO4F6)和1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(氟磺酰基)亚胺(EMIMFSI)在乙腈溶液中充分搅拌混合得到聚合物电解质浆料，裁取110*110mm的无纺尼龙布，将固态聚合物电解质溶液涂覆到无纺尼龙布的60*60mm的区域内，60℃烘干待用。采用聚丙烯树脂片材/碳纤维电极/固态聚合物电解质复合膜/碳纤维电极/聚丙烯树脂片材进行铺层，放入热压机中170℃，3MPa热压0.5h，冷却，得到结构超级电容器。再次放入异形模具中，放入热烘箱中，施加1MPa的力的重物，140℃保持1h，冷却后得到形貌重构的结构超级电容器异构件。
实施例3
将聚丙烯腈类碳纤维布用丙酮清洗，50℃烘干12h，裁成两片100*100mm碳纤维方块，用甲醛和间苯二酚合成的酚醛树脂水溶液浸润碳纤维布，50℃烘干24h，管式炉1200℃处理0.5h，制备出炭气凝胶改性的碳纤维电极。固态聚合物电解质芳纶布复合膜的制备是用聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、高氯酸锂(LiClO4)和1-丁基-2，3-二甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIMBF4)在乙腈溶液中充分搅拌混合得到聚合物电解质浆料，裁取110*110mm的无纺尼龙布，将固态聚合物电解质溶液涂覆到无纺尼龙布的50*50mm的区域内，烘干待用。采用聚苯乙烯树脂片材/碳纤维电极/固态聚合物电解质复合膜/碳纤维电极/聚苯乙烯树脂片材进行铺层，放入平板硫化机中90℃，3MPa热压0.5h，冷却，得到结构超级电容器。再次放入异形模具中，热风枪加热到80℃保持0.5h，放置1MPa的重物，冷却后得到形貌重构的结构超级电容器异构件。
实施例4
将聚丙烯腈类碳纤维布用丙酮清洗，50℃烘干12h，裁成两片100*100mm碳纤维方块，用甲醛和间苯二酚合成的酚醛树脂水溶液浸润碳纤维布，50℃烘干36h，管式炉1500℃处理0.5h，制备出炭气凝胶改性的碳纤维电极。固态聚合物电解质芳纶布复合膜的制备是用聚氧化乙烷(PEO)、四氟硼酸锂(LiBF4)和1-丁基-3-甲基咪唑鎓碘化物(BMIMI)在丙酮溶液中充分搅拌混合得到聚合物电解质浆料，裁取110*110mm的玻璃纤维布，将固态聚合物电解质溶液涂覆到玻璃纤维布的40*60mm的区域内，50℃烘干24h待用。采用聚碳酸酯树脂片材/碳纤维电极/固态聚合物电解质复合膜/碳纤维电极/聚碳酸酯树脂片材进行铺层，放入平板硫化机中160℃，3MPa热压0.5h，冷却，得到结构超级电容器，再次放入异形模具中，放入平板硫化机施加1MPa的力，140℃保持1h，冷却后得到形貌重构的结构超级电容器异构件。
因此，本发明采用上述结构的形貌可重构的结构超级电容器，同时具备结构承载和储能性能，可制备出各种异构件，且制备方法工艺简单，性能稳定，易于规模化推广。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种形貌可重构的结构超级电容器，包括两个碳纤维电极以及设置于两个所述碳纤维电极之间的隔膜、电解质以及填充基体，其特征在于：所述电解质为固态聚合物电解质，所述隔膜为纤维隔膜，所述固态聚合物电解质与所述纤维隔膜浸润形成复合层。
2.根据权利要求1所述的形貌可重构的结构超级电容器，其特征在于：固态聚合物电解质含有15～60％高分子聚合物、5～40％锂盐和5～80％离子液体。
3.根据权利要求2所述的形貌可重构的结构超级电容器，其特征在于：所述聚合物可为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚氧化乙烷、聚乙烯醇中的一种及其任意组合。
4.根据权利要求2所述的形貌可重构的结构超级电容器，其特征在于：所述锂盐可为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、双(氟磺酰基)亚胺锂、双(三氟甲基磺酰基)亚胺锂中的一种及其任意组合。
5.根据权利要求2所述的形貌可重构的结构超级电容器，其特征在于：所述离子液体可为1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(氟磺酰基)亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-2，3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓碘化物中的一种及其任意组合。
6.根据权利要求1所述的形貌可重构的结构超级电容器，其特征在于：纤维隔膜为厚度在50～300μm的高强度、高韧性纤维膜结构。
7.根据权利要求6所述的形貌可重构的结构超级电容器，其特征在于：所述纤维膜可为玻璃纤维布、芳纶布或无纺尼龙布。
8.根据权利要求1所述的形貌可重构的结构超级电容器，其特征在于：所述填充基体为热塑性树脂。
9.根据权利要求8所述的形貌可重构的结构超级电容器，其特征在于：所述热塑性树脂包括但不限定为聚乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯酯树脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜中的一种及其任意组合。
10.一种形貌可重构的结构超级电容器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、制备碳纤维电极
S2、制备固态聚合物电解质/纤维隔膜复合层
S20、将固态聚合物电解质放入乙腈溶液中充分搅拌混合得到聚合物电解质浆料；
S21、将纤维隔膜裁剪成块；
S22、将聚合物电解质浆料涂覆至块状纤维隔膜的设计储能区，烘干备用；
S3、铺叠
按照碳纤维电极、固态聚合物电解质/纤维隔膜复合层、碳纤维电极的顺序铺叠，形成储能区；并在复合层上下面和碳纤维电极之间的无固态聚合物电解质区域铺设热塑性基体形成热压成型后的承载区，复合铺叠后制成铺层体；
S30、热压成型
将铺层体放置到热压机中，热成型温度为75～250℃，施加压力为1～5MPa，加热熔融浸润，施加压力加热软化，软化处理温度为70～180℃，而后冷却，得到结构超级电容器；
S4、形貌重塑
经热处理或局部加热软化，形貌再定型，冷却后实现结构超级电容器的形貌重构；
形貌重塑的软化方式是通过加热平板，热烘箱，热风枪等设备完成。将加热软化后的结构超级电容器放入另一模具，在力的作用下实现重塑。软化温度为70～180℃。
CN202211550746.0A 2022-12-05 2022-12-05 一种形貌可重构的结构超级电容器及其制备方法 Pending CN115938814A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211550746.0A CN115938814A (zh) 2022-12-05 2022-12-05 一种形貌可重构的结构超级电容器及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211550746.0A CN115938814A (zh) 2022-12-05 2022-12-05 一种形貌可重构的结构超级电容器及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115938814A true CN115938814A (zh) 2023-04-07

Family

ID=86555007

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211550746.0A Pending CN115938814A (zh) 2022-12-05 2022-12-05 一种形貌可重构的结构超级电容器及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115938814A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xiao et al. Nanocellulose and its derived composite electrodes toward supercapacitors: Fabrication, properties, and challenges
CN104157815B (zh) 一种细菌纤维素多孔薄膜及其制备方法
CN103895315B (zh) Glare构件的制备成形方法
CA2654921C (en) Porous membrane for fuel cell electrolyte membrane and method for manufacturing the same
US20110162198A1 (en) Method of producing solid electrolyte-electrode assembly
CN106450101A (zh) 一种用同轴静电纺丝制备新型锂电池隔膜的方法
JP2013527964A (ja) レドックスフローバッテリーにおいて使用するための複合積層材料
CN115954216A (zh) 一种新型结构的超级电容器及其制备方法
CN110983629B (zh) 一种力学性能优良的电纺纤维隔膜的制备方法
CN110739491A (zh) 一种用涂胶隔膜制作软包锂电池的制作方法
CA2632134A1 (en) Method for manufacturing membrane electrode assembly and reinforced electrolyte membrane in polymer electrolyte fuel cell, and membrane electrode assembly and reinforced electrolyte membrane obtained by the manufacturing method
CN113506949A (zh) 一种具有微纳米多孔结构的芳纶纳米纤维基电池隔膜的制备方法
CN1719645A (zh) 一种新型质子交换膜燃料电池双极板制备工艺
CN101393975A (zh) 胶态聚合物电池及其复合隔膜的制备方法
CN112086611A (zh) 一种复合隔膜及其制备方法和应用
CN101728504A (zh) 一种湿法抄造的锂离子电池隔膜柔性基材及其制造方法
CN115832448A (zh) 一种高能量密度和高安全性的半固态电池及其制备方法
KR101490883B1 (ko) 이차전지용 복합부직포 분리막 및 제조방법
CN102516573A (zh) 有机无机复合的碱性电池隔膜的制备方法
Wu et al. Structural supercapacitors: A mini-review of their fabrication, mechanical & electrochemical properties
CN115938814A (zh) 一种形貌可重构的结构超级电容器及其制备方法
CN106531929A (zh) 一种陶瓷包覆细菌纤维素多孔薄膜的干燥工艺
CN110247065B (zh) 一种燃料电池气体扩散层低成本连续工业化生产工艺
CN115084735B (zh) 一种具有蜂窝夹芯结构的高强度锂离子电池复合材料
WO2009068949A3 (en) Composite electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, fuel cell, and methods for manufacturing same

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination