柔性固态超级电容器及其制备方法、柔性可穿戴设备

摘要

本发明提供一种柔性固态超级电容器及其制备方法、柔性可穿戴设备。制备方法包括以下步骤：S110、提供柔性基底；S120、在柔性基底的第一表面形成第一集流体，在柔性基底的第二表面形成第二集流体；S130、在第一集流体表面形成工作电极，在第二集流体表面形成对电极；S140、在柔性基底的容纳孔内填充固态电解质，且固态电解质覆盖工作电极和对电极，以完成柔性固态超级电容器的制备。本发明有效减小厚度和体积、结构紧凑，提高体能量密度和体功率密度，有助于提升器件的功率，并且可避免现有柔性超级电容器在反复弯曲过程中各层之间剥离的问题，具有更优的机械稳定性能。

权利要求

1.一种柔性固态超级电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S110、提供柔性基底，所述柔性基底包括沿其厚度方向相对设置的第一表面和第二表面，并且，所述柔性基底设置有若干个容纳孔；

S120、在所述第一表面形成第一集流体，在所述第二表面形成第二集流体；

S130、在所述第一集流体表面形成工作电极，在所述第二集流体表面形成对电极；

S140、在所述柔性基底的容纳孔内填充固态电解质，且所述固态电解质覆盖所述工作电极和所述对电极，以完成所述柔性固态超级电容器的制备。

2.根据权利要求1所述的柔性固态超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤S120具体包括：通过具有低台阶覆盖能力的沉积工艺，分别在所述第一表面形成所述第一集流体以及在所述第二表面形成所述第二集流体。

3.根据权利要求2所述的柔性固态超级电容器的制备方法，其特征在于，所述沉积工艺包括热蒸发工艺或电子束蒸发工艺。

4.根据权利要求1所述的柔性固态超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤S130具体包括：通过电镀工艺，分别贴合着所述第一集流体的外表面形成所述工作电极以及贴合着所述第二集流体的外表面形成所述对电极。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的柔性固态超级电容器的制备方法，其特征在于，所述柔性基底采用尼龙多孔滤膜、聚碳酸酯多孔滤膜和聚四氟乙烯多孔滤膜中的一者。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的柔性固态超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤S140具体包括：在所述柔性基底的第一表面涂覆凝胶状电解质；

使用真空抽滤的方法使所述凝胶状电解质渗透进所述柔性基底内的容纳孔内并扩散至所述柔性基底的第二表面；

干燥所述凝胶电解质，形成所述固态电解质。

7.一种柔性固态超级电容器，其特征在于，包括：柔性基底，所述柔性基底包括沿其厚度方向相对设置的第一表面和第二表面，并且，所述柔性基底设置有若干个容纳孔；

第一集流体，所述第一集流体设置于所述柔性基底的第一表面；

第二集流体，所述第二集流体设置于所述柔性基底的第二表面；

工作电极，所述工作电极包覆所述第一集流体的外表面；

对电极，所述对电极包覆所述第二集流体的外表面；

固态电解质，所述固态电解质填充在所述柔性基底的容纳孔中，且所述固态电解质覆盖所述工作电极和所述对电极。

8.根据权利要求7所述的柔性固态超级电容器，其特征在于，所述柔性基底采用多孔滤膜结构。

9.根据权利要求8所述的柔性固态超级电容器，其特征在于，所述柔性基底采用尼龙多孔滤膜结构、聚碳酸酯多孔滤膜结构和聚四氟乙烯多孔滤膜结构中的一者。

10.一种柔性可穿戴设备，其特征在于，包括柔性固态超级电容器，所述柔性固态超级电容器采用权利要求1至6中任意一项制备方法制作形成。

说明书

柔性固态超级电容器及其制备方法、柔性可穿戴设备

技术领域

[0001] 本发明涉及能量存储器件技术领域，具体涉及一种柔性固态超级电容器、一种柔性固态超级电容器的制备方法以及一种柔性可穿戴设备。

背景技术

[0002] 随着电子技术的快速发展，柔性可穿戴设备得到广泛关注，并取得了飞速发展。为了构建柔性可穿戴设备，需要一种柔性、轻质的能量存储器件(储能器件)，并且该储能器件须满足安全性高、体积小、电化学性能好、机械稳定性强等特点。在各种储能器件中，超级电容器具有能量密度大、功率密度高、可逆性优和循环寿命好等优点。一个典型的超级电容器包括工作电极、对电极、电解质等，根据电解质的形态(固态或液态)，超级电容器可分固态超级电容器和液态超级电容器的类型，相比于后者，固态超级电容器具有安全性高、尺寸小等优点，因此，特别适合于可穿戴设备。

[0003] 现有的柔性固态超级电容器主要基于以下工艺制备：工作电极、电解质、对电极依次堆叠，再通过层压技术将各层组装在一起。这种方式形成的柔性超级电容器往往具有较厚的厚度和较大的体积，因此降低了器件的体能量密度和体功率密度。

[0004] 此外，为了避免工作电极与对电极发生短路，电解质的厚度往往较厚，这增加了离子在电极之间的传输距离，进一步降低了器件的功率。

[0005] 此外，该种方式的柔性超级电容器在反复弯曲的过程中还容易发生叠层剥离的问题，因此机械稳定性也有待进一步改进。

发明内容

[0006] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种柔性固态超级电容器、一种柔性固态超级电容器的制备方法以及一种柔性可穿戴设备。

[0007] 本发明的第一方面，提供了一种柔性固态超级电容器的制备方法，包括以下步骤：

[0008] S110、提供柔性基底，所述柔性基底包括沿其厚度方向相对设置的第一表面和第二表面，并且，所述柔性基底设置有若干个容纳孔；

[0009] S120、在所述第一表面形成第一集流体，在所述第二表面形成第二集流体；

[0010] S130、在所述第一集流体表面形成工作电极，在所述第二集流体表面形成对电极；

[0011] S140、在所述柔性基底的容纳孔内填充固态电解质，且所述固态电解质覆盖所述工作电极和所述对电极，以完成所述柔性固态超级电容器的制备。

[0012] 可选地，步骤S120具体包括：

[0013] 通过具有低台阶覆盖能力的沉积工艺，分别在所述第一表面形成所述第一集流体以及在所述第二表面形成所述第二集流体。

[0014] 可选地，所述沉积工艺包括热蒸发工艺或电子束蒸发工艺。

[0015] 可选地，步骤S130具体包括：

[0016] 通过电镀工艺，分别贴合着所述第一集流体的外表面形成所述工作电极以及贴合着所述第二集流体的外表面形成所述对电极。

[0017] 可选地，所述柔性基底采用多孔滤膜结构。

[0018] 可选地，所述柔性基底采用尼龙多孔滤膜、聚碳酸酯多孔滤膜和聚四氟乙烯多孔滤膜中的一者。

[0019] 可选地，步骤S140具体包括：

[0020] 在所述柔性基底的第一表面涂覆凝胶状电解质；

[0021] 使用真空抽滤的方法使所述凝胶状电解质渗透进所述柔性基底内的容纳孔内并扩散至所述柔性基底的第二表面；

[0022] 干燥所述凝胶电解质，形成所述固态电解质。

[0023] 本发明的第二方面，提供了一种柔性固态超级电容，包括：

[0024] 柔性基底，所述柔性基底包括沿其厚度方向相对设置的第一表面和第二表面，并且，所述柔性基底设置有若干个容纳孔；

[0025] 第一集流体，所述第一集流体设置于所述柔性基底的第一表面；

[0026] 第二集流体，所述第二集流体设置于所述柔性基底的第二表面；

[0027] 工作电极，所述工作电极包覆所述第一集流体的外表面；

[0028] 对电极，所述对电极包覆所述第二集流体的外表面；

[0029] 固态电解质，所述固态电解质填充在所述柔性基底的容纳孔中，且所述固态电解质覆盖所述工作电极和所述对电极。

[0030] 可选地，所述柔性基底采用多孔滤膜结构。

[0031] 可选地，所述柔性基底采用尼龙多孔滤膜结构、聚碳酸酯多孔滤膜结构和聚四氟乙烯多孔滤膜结构中的一者。

[0032] 本发明的第三方面，提供了一种柔性可穿戴设备，包括柔性固态超级电容器，所述柔性固态超级电容器采用前文记载的制备方法制作形成。

[0033] 本发明的柔性固态超级电容及其制备方法、柔性可穿戴设备。与现有技术相比，具有以下优点：该电容器的各组成部分制备在同一柔性基底上，实现了单片集成，因此有效减小了器件的厚度和体积，提高了器件的体能量密度和体功率密度；该电容器的柔性基底既作为电容器的支撑，又作为工作电极与对电极之间的隔离层，而且还用于容纳电解质，具有结构紧凑的优点，可有效避免工作电极与对电极之间的短路并缩短电极间距和离子传输的距离，因此有助于提升器件的功率；本发明的器件结构紧凑，厚度薄，电容器各组成部分之间具有很强的附着力，这有助于提高器件的柔性，并且可避免现有柔性超级电容器在反复弯曲过程中各层之间剥离的问题，具有更优的机械稳定性能。

附图说明

[0034] 图1为本发明第一实施例的柔性固态超级电容器的制备方法的工艺流程图；

[0035] 图2为本发明第二实施例的柔性固态超级电容器的结构示意图。

具体实施方式

[0036] 为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

[0037] 如图1和图2所示，本发明的第一方面，提供了一种柔性固态超级电容器的制备方法S100，包括以下步骤：

[0038] S110、提供柔性基底，所述柔性基底包括沿其厚度方向相对设置的第一表面和第二表面，并且，所述柔性基底设置有若干个容纳孔。

[0039] 具体地，如图2所示，在本步骤中，所述柔性基底110可以采用多孔滤膜结构，例如，该柔性基底可以采用尼龙多孔滤膜、聚碳酸酯多孔滤膜和聚四氟乙烯多孔滤膜中的一者。当然，除此以外，本领域技术人员还可以根据实际需要，选择其他一些结构作为柔性基底。
如图2所示，柔性基底110包括沿其厚度方向相对设置的第一表面111和第二表面112，也就是说，如图2所示，位于柔性基底110顶部的表面为所述第一表面111，位于柔性基底110底部的表面为所述第二表面112。

[0040] S120、在所述第一表面形成第一集流体，在所述第二表面形成第二集流体。

[0041] 具体地，如图2所示，在本步骤中，在所述柔性基底110的第一表面111(也就是顶面)形成第一集流体120，在所述柔性基底110的第二表面112(也就是底面)形成第二集流体130。

[0042] 需要说明的是，对于如何在柔性基底110的第一表面111形成所述第一集流体120，以及如何在柔性基底110的第二表面112形成所述第二集流体130均没有作出限定，例如，可以采用沉积的方式形成所述第一集流体120和所述第二集流体130。当然，本领域技术人员还可以根据实际需要，选择其他一些制备工艺制作形成所述第一集流体120和所述第二集流体130，在此并不作具体限定。

[0043] S130、在所述第一集流体表面形成工作电极，在所述第二集流体表面形成对电极。

[0044] 具体地，如图2所示，在本步骤中，在所述第一集流体120的外表面形成工作电极140，在所述第二集流体130的外表面形成对电极150。

[0045] 需要说明的是，对于如何在第一集流体120的表面形成所述工作电极140，以及如何在所述第二集流体130的表面形成所述对电极150均没有作出限定，例如，可以采用沉积的方式形成所述工作电极140和所述对电极150。当然，本领域技术人员还可以根据实际需要，选择其他一些制备工艺制作形成所述工作电极140和所述对电极150，在此并不作具体限定。

[0046] S140、在所述柔性基底的容纳孔内填充固态电解质，且所述固态电解质覆盖所述工作电极和所述对电极，以完成所述柔性固态超级电容器的制备。

[0047] 具体地，如图2所示，在本步骤中，在柔性基底110的容纳孔内填充固态电解质160，并且，该固态电解质160覆盖所述工作电极140和所述对电极150，从而完成柔性固态超级电容器100的制备。

[0048] 本实施例的柔性固态超级电容器的制备方法S100，与现有技术相比，具有以下优点：该电容器的各组成部分制备在同一柔性基底上，实现了单片集成，因此有效减小了器件的厚度和体积，提高了器件的体能量密度和体功率密度；该电容器的柔性基底既作为电容器的支撑，又作为工作电极与对电极之间的隔离层，而且还用于容纳电解质，具有结构紧凑的优点，可有效避免工作电极与对电极之间的短路并缩短电极间距和离子传输的距离，因此有助于提升器件的功率；本实施例的器件结构紧凑，厚度薄，电容器各组成部分之间具有很强的附着力，这有助于提高器件的柔性，并且可避免现有柔性超级电容器在反复弯曲过程中各层之间剥离的问题，具有更优的机械稳定性能。

[0049] 可选地，步骤S120具体包括：

[0050] 通过具有低台阶覆盖能力的沉积工艺，分别在所述第一表面111形成所述第一集流体120以及在所述第二表面112形成所述第二集流体130。

[0051] 具体地，例如，可以采用热蒸发工艺或电子束蒸发工艺在所述第一表面111形成所述第一集流体120以及在所述第二表面112形成所述第二集流体130。当然，除此以外，本领域技术人员还可以根据实际需要，选择其他一些具有低台阶覆盖能力的沉积工艺形成所述第一集流体120和所述第二集流体130。

[0052] 本实施例的柔性固态超级电容器的制备方法S100，采用低台阶覆盖能力的沉积工艺制备形成所述第一集流体120和所述第二集流体130，能够有效保证了沉积的薄膜仅分布在柔性基底110的外表面，而在柔性基底110的容纳孔的内壁上没有薄膜沉积，进而避免了第一集流体120与第二集流体130之间的短路。

[0053] 可选地，步骤S130具体包括：

[0054] 通过电镀工艺，分别贴合着所述第一集流体的外表面形成所述工作电极以及贴合着所述第二集流体的外表面形成所述对电极。

[0055] 当然，除此以外，本领域技术人员还可以根据实际需要，选择其他的一些沉积工艺形成所述工作电极和对电极。但是，优选地应该采用电镀工艺，这样，可以有效保证工作电极和对电极分别贴合着所述第一集流体和第二集流体进行薄膜沉积。

[0056] 可选地，步骤S140具体包括：

[0057] 在所述柔性基底的第一表面涂覆凝胶状电解质；

[0058] 使用真空抽滤的方法使所述凝胶状电解质渗透进所述柔性基底内的容纳孔内并扩散至所述柔性基底的第二表面；

[0059] 干燥所述凝胶电解质，形成所述固态电解质。

[0060] 下文将以具体示例说明本发明的柔性固态超级电容的制备方法：

[0061] 采用聚碳酸酯多孔滤膜作为柔性基底；

[0062] 使用热蒸发工艺在柔性基底第一表面和第二表面分别沉积50纳米Ti和100纳米Au，分别作为第一集流体和第二集流体；

[0063] 使用电镀的方法在第一集流体和第二集流体的外表面形成200纳米聚苯胺分别作为工作电极和对电极；

[0064] 在柔性基底的第一表面涂覆Polyvinyl alcohol(PVA)/H2SO4凝胶电解质，使用真空抽滤的方法使得凝胶电解质渗透进柔性基底体内的容纳孔并扩散至柔性基底底部的外表面，在空气中干燥24小时，凝胶电解质的水分充分蒸发形成固态电解质。

[0065] 本发明的第二方面，如图2所示，提供了一种柔性固态超级电容100，包括柔性基底110、第一集流体120、第二集流体130、工作电极140、对电极150和固态电解质160。其中，所述柔性基底110包括沿其厚度方向相对设置的第一表面111和第二表面112，并且，所述柔性基底110设置有若干个容纳孔。所述第一集流体120设置于所述柔性基底110的第一表面
111。所述第二集流体130设置于所述柔性基底110的第二表面112。所述工作电极140包覆所述第一集流体120的外表面。所述对电极150包覆所述第二集流体130的外表面。所述固态电解质160填充在所述柔性基底110的容纳孔中，且所述固态电解质160覆盖所述工作电极140和所述对电极150。

[0066] 本实施例的柔性固态超级电容器，与现有技术相比，具有以下优点：该电容器的各组成部分制备在同一柔性基底上，实现了单片集成，因此有效减小了器件的厚度和体积，提高了器件的体能量密度和体功率密度；该电容器的柔性基底既作为电容器的支撑，又作为工作电极与对电极之间的隔离层，而且还用于容纳电解质，具有结构紧凑的优点，可有效避免工作电极与对电极之间的短路并缩短电极间距和离子传输的距离，因此有助于提升器件的功率；本实施例的器件结构紧凑，厚度薄，电容器各组成部分之间具有很强的附着力，这有助于提高器件的柔性，并且可避免现有柔性超级电容器在反复弯曲过程中各层之间剥离的问题，具有更优的机械稳定性能。

[0067] 可选地，所述柔性基底110采用多孔滤膜结构。

[0068] 具体地，所述柔性基底110采用尼龙多孔滤膜结构、聚碳酸酯多孔滤膜结构和聚四氟乙烯多孔滤膜结构中的一者。当然，除此以外，本领域技术人员还可以根据实际需要，选择其他一些结构作为柔性基底。

[0069] 本发明的第三方面，提供了一种柔性可穿戴设备(图中并未示出)，包括柔性固态超级电容器100，所述柔性固态超级电容器100采用前文记载的制备方法制作形成，具体可以参考前文相关记载，在此不作赘述。

[0070] 本实施例的柔性可穿戴设备，其采用前文记载的制备方法制作形成的柔性固态超级电容器，能够有效减小柔性可穿戴设备的厚度和体积，提高柔性可穿戴设备的体能量密度和体功率密度。此外，该电容器的柔性基底既作为电容器的支撑，又作为工作电极与对电极之间的隔离层，而且还用于容纳电解质，具有结构紧凑的优点，可有效避免工作电极与对电极之间的短路并缩短电极间距和离子传输的距离，因此有助于提升器件的功率。本实施例的器件结构紧凑，厚度薄，电容器各组成部分之间具有很强的附着力，这有助于提高器件的柔性，并且可避免现有柔性超级电容器在反复弯曲过程中各层之间剥离的问题，具有更优的机械稳定性能。

[0071] 可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。