一种具有负泊松比特性仿橡树叶结构的超级电容器

1.本发明属于柔性电子技术领域，具体涉及一种具有负泊松比特性仿橡树叶结构的超级电容器。


背景技术：

2.柔性电子在可穿戴显示器、生物医学应用和软体机器人等方面有着重要作用，如果可以弯曲、扭曲和拉伸，就能满足特殊的功能用途或产品体验。现有的电子设备的电路变得越来越柔韧，但为其供电的超级电容器却无法满足柔性的要求。现有的超级电容器多在材料上提高拉伸性和形变稳定性，采用不带有特殊结构的电极，但是现有的超级电容器在高强度拉伸和弯曲变形下的性能较差，无法满足实际使用的要求，主要因素是超级电容器中的电极在反复拉伸和弯曲载荷作用下容易脱落或者产生微裂纹，从而影响超级电容器的性能，无法提供稳定的电压输出。因此，如何优化超级电容器的电极机构，提高超级电容器的稳定性是亟待解决的重大问题。
3.基于以上问题，本发明提出了一种具有负泊松比特性仿橡树叶结构的超级电容器。包括上下层的柔性电极和中间电介质层；所述的柔性电极包括集流体层、活性材料层和柔性基底层；所述的集流体层和活性材料层为负泊松比结构，该负泊松比结构仿照橡树叶的形状，由四个橡树叶单元和四个嵌入单元组成。橡树叶单元为超级电容器提供了较大的拉伸变形量，负泊松比结构又为超级电容器提供了较强的抗拉特性，减小了拉应力，防止电极层的脱落与裂纹的产生。以上几部分的实现使本发明具有非常高的拉伸形变能力，同时在承受拉、压、弯曲、扭曲等各种形变下，电极所受的应力较小，使得本发明具备较强的机械性能和循环稳定性。解决了现有超级电容器稳定性差、电压输出波动较大的问题。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明的目的是提供一种具有负泊松比特性仿橡树叶结构的超级电容器，以解决超级电容器在反复拉伸和弯曲载荷作用下输出电压不稳，特别是集流体层和活性材料层在反复拉伸和弯曲载荷作用下脱落或产生微裂纹，从而严重影响输出稳定性的问题。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：包括上下层的柔性电极和中间电介质层；所述的柔性电极包括集流体层、活性材料层和柔性基底层；所述的集流体层通过丝网印刷的方式印刷在柔性基底层上，用于汇集活性材料层产生的电流；所述的活性材料层通过丝网印刷的方式印刷在集流体层上，用于吸附移动的离子；所述的集流体层和活性材料层为负泊松比结构，该负泊松比结构仿照橡树叶的形状，由四个橡树叶单元和四个嵌入单元组成；所述的橡树叶单元和嵌入单元相互连接，每个嵌入单元通过两个或四个橡树叶单元与其他的嵌入单元相连接；所述的嵌入单元由一个长度为4～4.5mm，宽度为1.5～2mm的矩形组成，每个嵌入单元的长边间的距离为5～5.5mm，短边间的距离为2.5～3mm；所述的橡树叶单元的曲线高2.5～2.75mm，宽0.175～0.2mm，用于降低峰值应力，提高拉伸率。
6.进一步，作为优选，所述的中间电介质层由凝胶电解质构成，厚度为0.25～0.35mm；所述的凝胶电解质由磷酸、聚乙烯醇pva和去离子水按照1：1：10的比例混合组成；所述的集流体层，厚度为0.05～0.1mm，采用导电银浆构成；所述的活性材料层由碳纳米管和氧化石墨烯按照1：1的比例混合组成，厚度为0.1～0.2mm；所述的柔性基底层，厚度为0.1～0.125mm，采用聚氨酯(tpu)薄膜。
7.本发明的有益效果：
8.本发明涉及一种具有负泊松比特性仿橡树叶结构的超级电容器，属于柔性电子技术领域。包括上下层的柔性电极和中间电介质层；所述的柔性电极包括集流体层、活性材料层和柔性基底层；所述的集流体层和活性材料层为负泊松比结构，该负泊松比结构仿照橡树叶的形状，由四个橡树叶单元和四个嵌入单元组成。橡树叶单元为超级电容器提供了较大的拉伸变形量，负泊松比结构又为超级电容器提供了较强的抗拉特性，减小了拉应力，防止电极层的脱落与裂纹的产生。本发明的电极结构新颖，具有非常高的拉伸形变能力，同时在承受拉、压、弯曲、扭曲等各种形变下，电极所受的应力较小，使得本发明具备较强的机械性能和循环稳定性。
附图说明
9.图1是本发明的结构示意图；
10.图2是本发明的结构组成图；
11.图3是本发明的具有负泊松比特性仿橡树叶结构的电极结构图；
12.图4是本发明的具有负泊松比特性仿橡树叶结构的电极的单元放大图；
13.图5是本发明的具有负泊松比特性仿橡树叶结构的电极在弯曲、扭转和拉伸形变下的示意图；
14.图6是本发明的具有负泊松比特性仿橡树叶结构的电极与现有负泊松比结构电极拉伸应力对比曲线；
15.图7是本发明在不同弯曲角度的cv曲线图；
16.图8是本发明在不同扫描速率下的cv曲线图。
17.其中：柔性基底层1、集流体层2、活性材料层3、中间电介质层4、嵌入单元5、橡树叶单元6。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明进行详细的说明。然而应当理解，附图的提供仅为了本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
19.如图1-4所示，一种具有负泊松比特性仿橡树叶结构的超级电容器，其特征在于，包括上下层的柔性电极和中间电介质层4；所述的柔性电极包括集流体层5、活性材料层3和柔性基底层1；所述的集流体层5通过丝网印刷的方式印刷在柔性基底层1上，用于汇集活性材料层3产生的电流；所述的活性材料层3通过丝网印刷的方式印刷在集流体层2上，用于吸附移动的离子；所述的集流体层2和活性材料层3为负泊松比结构，该负泊松比结构仿照橡树叶的形状，由四个橡树叶单元6和四个嵌入单元5组成；所述的橡树叶单元6和嵌入单元5相互连接，每个嵌入单元5通过两个或四个橡树叶单元6与其他的嵌入单元5相连接；所述的
嵌入单元5由一个长度为4～4.5mm，宽度为1.5～2mm的矩形组成，每个嵌入单元5的长边间的距离为5～5.5mm，短边间的距离为2.5～3mm；所述的橡树叶单元6的曲线高2.5～2.75mm，宽0.175～0.2mm，用于降低峰值应力，提高拉伸率。
20.所述的中间电介质层4由凝胶电解质构成，厚度为0.25～0.35mm；所述的凝胶电解质由磷酸、聚乙烯醇pva和去离子水按照1：1：10的比例混合组成；所述的集流体层2，厚度为0.05～0.1mm，采用导电银浆构成；所述的活性材料层3由碳纳米管和氧化石墨烯按照1：1的比例混合组成，厚度为0.1～0.2mm；所述的柔性基底层1，厚度为0.1～0.125mm，采用聚氨酯(tpu)薄膜。
21.为了表明具有负泊松比特性仿橡树叶结构的电极在不同变形条件下的状态，如图5所示，示意性地描绘了不同变形条件下电极的结构示意图。
22.为了进一步验证本发明的优势所在，对本发明中的负泊松比结构进行力学性能仿真分析，分析结果如图6所示，当拉伸形变在10％时，与现有的负泊松比结构相比，本发明的最大拉伸应力降低了95％。
23.同时，为了进一步验证本超级电容的优势所在，测量了本发明的cv曲线，结果如图7、8所示，图7是本发明在不同弯曲角度的cv曲线图，每条曲线高度重合，证明本发明在不同的形变下具有非常高的稳定性，图8是本发明在不同扫描速率下的cv曲线图，形状类似矩形，证明本发明具有良好的电容行为，在200mv/s的扫描速率下，面积比电容高达25mf/cm2。
24.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。