一种柔性叉指微型电容器一体化的制备方法与流程

1.本发明属于微纳化学电源技术领域，尤其是涉及一种柔性叉指微型电容器一体化的制备方法。


背景技术：

2.近几年，随着智能可穿戴系统对微型便携式电子设备的大量需求，其中能够提供高能量和功率密度的储能装置需求越来越迫切。在目前的微型储能装置中，微型电容器作为一种新型储能器件，可填补锂电池功率密度不足的缺点。同时，柔性微型电容器可实现弯曲折叠，能够实现可穿戴器件中的系统集成。与传统超级电容器的区别在于，微型叉指电容器采用平面上的叉指结构，不需要隔膜，降低了器件的整体厚度，易实现柔性化和便携化，能满足可穿戴系统的兼容性。
3.目前，影响现有的微型电容器性能的主要因素有刚性衬底和制备工艺。刚性衬底制备工艺可实现多样性，但是其难以实现集成；目前电极结构的图案化通过光刻或者激光方式实现，成本太高，且易对电极造成损坏，降低了器件的性能，这些因素限制了在智能可穿戴系统中的应用。


技术实现要素：

4.本发明要解决的问题是提供一种柔性叉指微型电容器一体化的制备方法，有效的解决目前使用刚性衬底，难以实现集成以及电极结构的图案化通过光刻或者激光方式实现，成本太高，且易对电极造成损坏，降低了器件的性能，限制了微型电容器在智能可穿戴系统中的应用的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种柔性叉指微型电容器一体化的制备方法，包括：
6.在柔性基底上制备金属集流体；
7.配置活性层浆料，将所述活性层浆料打印至所述金属集流体的表面，形成叉指电极活性层，得到叉指电极；
8.混合离子液体和粘结剂，制备凝胶电解质；
9.将所述凝胶电解质打印或滴加到所述叉指电极表面，进行烘干，得到电容器中间体；
10.将所述电容器中间体进行柔性封装，得到一体化柔性叉指微型电容器。
11.优选地，所述柔性基底采用不导电柔性基底pet、pi、pen、pdms和布料中的一种或几种，或者选用导电柔性基底碳纸、石墨烯纸、碳纳米管纸中的一种或几种。
12.优选地，在所述柔性基底上采用模板和电子束蒸发相结合的方法制备所述金属集流体，所述金属集流体为au、ag或ni的一种或多种。
13.优选地，所述活性层浆料采用3d打印、电流体喷印或者丝网印刷的方法打印至所述金属集流体的表面，形成所述叉指电极活性层；所述叉指电极活性层的厚度为30um
‑
500um。
14.优选地，所述活性层浆料由活性炭、pvdf和nmp按照87:3:10
‑
95:2:3的比例配制得到。
15.优选地，将所述离子液体和所述粘结剂按照1:1
‑
6:1的比例进行搅拌混合，得到所述凝胶电解质。
16.优选地，所述离子液体为1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑硫酸乙酯盐、1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑四氟硼酸盐、氯化1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑、1
‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑、1
‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐中的一种或多种。
17.优选地，所述粘结剂为pva、pvdf、pvdf
‑
hfp的一种或多种。
18.优选地，将所述凝胶电解质打印或滴加到所述叉指电极表面后，在温度为60
‑
120℃的条件下，烘干4
‑
24h，得到所述电容器中间体。
19.优选地，将所述电容器中间体进行柔性封装的采用eva或pdms一种或多种组合。
20.采用上述技术方案，在柔性基底上采用打印的方法来制备叉指电极，工艺过程简单，可以实现电极与凝胶电解质的一体化制备，同时还能够降低整体电容器的厚度，实现器件的柔性化封装，从而达到在只能可穿戴系统中的集成，解决目前微型电容器使用刚性衬底，难以实现集成的问题。
附图说明
21.图1是本发明实施例叉指电极示意图
22.图2是本发明实施例一种柔性叉指微型电容器的充放电曲线
23.图3是本发明实施例一种柔性叉指微型电容器的和循环性能曲线
具体实施方式
24.下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：
25.在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“表面”、“上表面”、“下表面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
26.如图1叉指电极示意图所示，一种柔性叉指微型电容器一体化的制备方法，包括：
27.s1：在柔性基底上制备金属集流体，其中，
28.柔性基底可以选用不导电柔性基底pet、pi、pen、pdms和布料中的一种或几种，或者选用导电柔性基底碳纸、石墨烯纸、碳纳米管纸中的一种或几种；在柔性基底上采用模板和电子束蒸发相结合的方法制备得到金属集流体，所述金属集流体可以为au、ag或ni的一种或多种。选择柔性基底能够解决现有技术中选用刚性衬底来制备电容器导致难以实现集成的问题。
29.s2：配置活性层浆料，将活性炭、pvdf和nmp按照87:3:10
‑
95:2:3的比例配置得到活性层浆料，其中活性炭还可以替换为石墨烯；
30.将上述配置得到的活性层浆料打印至金属集流体远离柔性基底的表面，形成叉指电极活性层，叉指电极活性层的厚度为30um
‑
500um，得到叉指电极；其中，打印的方法可以
选择为3d打印、电流体喷印或者丝网印刷。
31.s3：混合离子液体和粘结剂，制备凝胶电解质；其中，
32.离子液体可以选择为1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑硫酸乙酯盐、1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑四氟硼酸盐、氯化1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑、1
‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑、1
‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐中的一种或多种；
33.粘结剂可以选择pva、pvdf、pvdf
‑
hfp的一种或多种；
34.将离子液体和粘结剂按照1:1
‑
6:1的比例进行搅拌混匀，得到凝胶电解质。
35.s4：将上述步骤制备得到的凝胶电解质打印或滴加到叉指电极的表面，在温度为60
‑
120℃的条件下，进行烘干，烘干时间为4
‑
24h，得到电容器中间体；
36.s5：将上述步骤的得到的电容器中间体进行柔性封装，柔性封装材料选用eva或pdms一种或多种组合，得到一体化柔性叉指微型电容器。
37.本发明具有的优点和积极效果是：
38.本发明中柔性叉指微型电容器及其一体化制备方法由于采用了全新的技术方案，与现有技术相比，利用3d打印或电流体喷印，实现了平面上厚度可控的叉指电极活性层的制备，并且实现了凝胶电解质与叉指电极的一体化制备，能够得到更易集成、制备工艺过程简易、结构可多样性、降低了器件的厚度可实现柔性化和尺寸可控等优点的微型电容器。
39.下面列举几个具体实施例：
40.实施例1
41.s1：在柔性基底上制备金属集流体，其中，
42.柔性基底选用不导电柔性基底pi，在pi柔性基底上采用模板和电子束蒸发相结合的方法制备得到金属集流体，金属集流体为ag集流体。选择柔性基底能够解决现有技术中选用刚性衬底来制备电容器导致难以实现集成的问题。
43.s2：配置活性层浆料，将活性炭、pvdf和nmp按照89:8:3的比例配置得到活性层浆料；
44.将上述配置得到的活性层浆料打印至金属集流体远离柔性基底的表面，形成叉指电极活性层，叉指电极活性层的厚度为30um，得到叉指电极；其中，打印的方法选择为电流体喷印。
45.s3：混合离子液体和粘结剂，制备凝胶电解质；其中，
46.离子液体选择为1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑硫酸乙酯盐；粘结剂选择pva；
47.将离子液体和粘结剂按照1:1的比例进行磁力搅拌4h，混匀离子液体和粘结剂，得到凝胶电解质。
48.s4：将上述步骤制备得到的凝胶电解质滴加到叉指电极的表面，在温度为60℃的条件下，进行烘干，烘干时间为8h，得到电容器中间体；
49.s5：将上述步骤的得到的电容器中间体进行柔性封装，柔性封装材料选用eva，进行热封，在正负电极两端引出极耳，得到一体化柔性叉指微型电容器。
50.最后，通过电化学工作站和蓝电测试设备进行充放电和循环测试，在电压范围为0
‑
1v，测试温度为25℃，不同电流密度为1a/g
‑
10a/g的条件下的充放电曲线以及1a/g下的1000圈循环性能，容量保持率接近99％。
51.实施例2
52.s1：在柔性基底上制备金属集流体，其中，
53.柔性基底可以选用不导电柔性基底pet；在柔性基底上采用模板和电子束蒸发相结合的方法制备得到金属集流体，金属集流体为au集流体。选择柔性基底能够解决现有技术中选用刚性衬底来制备电容器导致难以实现集成的问题。
54.s2：配置活性层浆料，将活性炭、pvdf和nmp按照92:3:5的比例配置得到活性层浆料，
55.将上述配置得到的活性层浆料打印至金属集流体远离柔性基底的表面，形成叉指电极活性层，叉指电极活性层的厚度为100um，得到叉指电极；其中，打印的方法选择为3d打印。
56.s3：混合离子液体和粘结剂，制备凝胶电解质；其中，
57.离子液体选择为1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐；粘结剂选择pva；
58.将离子液体和粘结剂按照3:1的比例进行搅拌混匀，得到凝胶电解质。
59.s4：将上述步骤制备得到的凝胶电解质打印或滴加到叉指电极的表面，在温度为100℃的条件下，进行烘干，烘干时间为6h，得到电容器中间体；
60.s5：将上述步骤的得到的电容器中间体进行柔性封装，柔性封装材料选用eva，进行热封，在正负电极两端引出极耳，得到一体化柔性叉指微型电容器。
61.最后，通过电化学工作站和蓝电测试设备进行充放电和循环测试，在电压范围为0
‑
1v，测试温度为25℃，不同电流密度为1a/g
‑
10a/g的条件下的充放电曲线以及1a/g下的1000圈循环性能，容量保持率接近99％。
62.根据图2和图3一种柔性叉指微型电容器的充放电曲线和循环性能曲线所示，本发明列举的实施例1和2以可打印的活性炭浆料作为主体制备叉指电极，以及离子液体基的凝胶电解质，通过eva柔性封装，获得电容性能较好和循环稳定性较好的柔性微型叉指电容器，具有简单易行等积极效果。
63.实施例3
64.s1：在柔性基底上制备金属集流体，其中，
65.柔性基底选用导电柔性基底碳纸；在柔性基底上采用模板和电子束蒸发相结合的方法制备得到金属集流体，所述金属集流体为ni集流体。选择柔性基底能够解决现有技术中选用刚性衬底来制备电容器导致难以实现集成的问题。
66.s2：配置活性层浆料，将石墨烯、pvdf和nmp按照95:2:3的比例配置得到活性层浆料；
67.将上述配置得到的活性层浆料打印至金属集流体远离柔性基底的表面，形成叉指电极活性层，叉指电极活性层的厚度为500um，得到叉指电极；其中，打印的方法选择为丝网印刷。
68.s3：混合离子液体和粘结剂，制备凝胶电解质；其中，
69.离子液体选择为氯化1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑；粘结剂可以选择pvdf；
70.将离子液体和粘结剂按照6:1的比例进行搅拌混匀，得到凝胶电解质。
71.s4：将上述步骤制备得到的凝胶电解质打印或滴加到叉指电极的表面，在温度为120℃的条件下，进行烘干，烘干时间为4h，得到电容器中间体；
72.s5：将上述步骤的得到的电容器中间体进行柔性封装，柔性封装材料选用eva，进
行热封，在正负电极两端引出极耳，得到一体化柔性叉指微型电容器。
73.最后，通过电化学工作站和蓝电测试设备进行充放电和循环测试，在电压范围为0
‑
1v，测试温度为25℃，不同电流密度为1a/g
‑
10a/g的条件下的充放电曲线以及1a/g下的1000圈循环性能，容量保持率接近98.9％。
74.以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。