【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及電極電解質及其制法與應用，具體為一種電極電解質一體化材料及其分子模型、制備方法與應用。
技術介紹
1、化石燃料資源日漸枯竭而引發的能源危機是當今一個亟待解決的重大問題，近年來，太陽能、風能、潮汐能、地熱能等可再生清潔能源的廣泛開發與研究為傳統化石能源的替代尋找到了很多解決方案。但是，可再生能源通常具有不能隨時隨地按需使用、發電時間具有間歇性、發電量不穩定等問題，這就需要開發高性能的能量存儲與轉化器件，達到高效率地存儲和利用可再生能源的目的。近年來，電化學電容器、二次電池和燃料電池等一系列高效的能量存儲與轉化器件得到了廣泛的關注和蓬勃的發展。其中，電化學電容器又稱超級電容器(其電極材料的表面和近表面可快速發生可逆的贗電容反應，具有比電池更高的功率密度和比傳統電容器更高的能量密度，且具有快速充放電、長循環壽命和靈活的工作溫度等優點。超級電容器的較高功率密度特點使其既可替代傳統電池或燃料電池，應用于高功率密度的場合；又可與傳統電池等相結合，組成混合動力系統，具有非常大的發展潛力。
2、為滿足高性能的超級電容器，許多先進儲能材料，包括碳、聚合物和金屬氧化物，已被廣泛研究。石墨碳紙具有優異的穩定性和較高的導電性，在電化學儲能系統中用作獨立電極材料或復合電極基底材料，也是應用于增強型電極材料的重要因素。影響復合材料中性能的一個關鍵部分是來自碳紙和電活性材料之間的相互作用的界面。這些納米級的界面區域由于碳紙基體和電活性材料之間的粘附性差等影響了電化學性能。具有氧化還原活性的鉬酸鈉與亞甲基藍可以被作超級電容器電極材料。
技術實現思路
1、專利技術目的：為了克服現有技術中存在的不足，本專利技術的目的是提供一種電極電解質一體化材料，本專利技術的另一目的是提供一種電極電解質一體化材料的制備方法，本專利技術的再一目的是提供一種電極電解質一體化材料在自修復柔性超級電容器中的應用，本專利技術的又一目的是提供一種電極電解質一體化材料的分子模型。
2、技術方案：本專利技術所述的一種電極電解質一體化材料，包括鉬酸鈉-活性碳紙電極和功能性聚乙烯醇凝膠電解質，鉬酸鈉-活性碳紙電極與功能性聚乙烯醇凝膠電解質之間形成氫鍵的鍵合作用界面；鉬酸鈉-活性碳紙電極為鉬酸鈉插層于活性碳紙的擴層石墨層間隙并形成插層結構；功能性聚乙烯醇凝膠電解質為硫酸-亞甲基藍-鉬酸鈉-硼酸-聚乙烯醇凝膠，功能性聚乙烯醇凝膠電解質的聚乙烯醇分子鏈之間形成硼酸酯基化學鍵與醇羥基氫鍵的鍵合作用，形成交聯結構的自修復分子鏈；電極電解質一體化材料同時具有電極功能與電解質功能；鍵合作用界面與自修復分子鏈兩者共同作用實現電極電解質一體化材料的自修復功能。
3、進一步地，功能性聚乙烯醇凝膠電解質中的硫酸、亞甲基藍、鉬酸鈉、硼酸、聚乙烯醇的質量比為0.098～0.196:0.050～0.125:0.050～0.125:0.005～0.008:0.5～1.0。硫酸實現電解質功能；亞甲基藍、鉬酸鈉實現氧化還原活性功能；硼酸交聯聚乙烯醇而實現自修復功能；聚乙烯醇實現凝膠聚合物介質功能。
4、進一步地，鉬酸鈉-活性碳紙電極的鉬酸鈉氧酸根與活性碳紙羥基之間以氫鍵連接，鉬酸鈉-活性碳紙電極的活性碳紙羥基和環氧基與功能性聚乙烯醇凝膠電解質的聚乙烯醇羥基之間以氫鍵鏈接。
5、進一步地，鍵合作用界面與自修復分子鏈的共同作用實現電極電解質一體化材料的自修復功能，鍵合作用界面是指鉬酸鈉-活性碳紙電極和功能性聚乙烯醇凝膠電解質的斷裂界面通過氫鍵的鍵合作用，重新連接起來，實現電極與電解質界面自修復作用功能；自修復分子鏈是指功能性聚乙烯醇凝膠電解質的斷裂界面通過硼酸酯鍵與氫鍵的鍵合作用，聚乙烯醇高分子鏈之間通過氫鍵的鍵合作用，重新連接起來，實現功能性聚乙烯醇凝膠自修復作用功能。
6、本專利技術所述的一種電極電解質一體化材料的制備方法，包括以下步驟：
7、步驟一，聚合物溶脹-溶解：在充分攪拌條件下，聚乙烯醇固體顆粒緩慢加入蒸餾水中，升溫至80～90℃并在恒溫條件下攪拌2～3h，通過聚合物溶脹-溶解作用過程，得到澄清透明的聚乙烯醇溶膠，再加入硫酸溶液，攪拌均勻并充分溶解，制得硫酸-聚乙烯醇(h2so4-pva)溶膠；
8、步驟二，聚合物膠溶：在充分攪拌條件下，步驟一所得的硫酸-聚乙烯醇溶膠中依次緩慢加入鉬酸鈉與亞甲基藍，恒溫60～70℃條件下攪拌2～3h，并充分擴散溶解，通過聚合物膠溶作用過程，制得硫酸-鉬酸鈉-亞甲基藍-聚乙烯醇(h2so4-na2moo4-mb-pva)溶膠；
9、步驟三，聚合物交聯：在充分攪拌條件下，步驟二所得的硫酸-鉬酸鈉-亞甲基藍-聚乙烯醇溶膠中緩慢加入硼酸溶液，在恒溫80～90℃條件下充分攪拌2～3h，通過聚合物交聯反應過程，形成硼酸-聚乙烯醇交聯結構的聚合物水凝膠，再真空減壓蒸餾，去除多余水分，制得功能性聚乙烯醇凝膠電解質，即制得硫酸-鉬酸鈉-亞甲基藍-硼酸-聚乙烯醇(h2so4-na2moo4-mb-hbo3-pva)凝膠電解質；
10、步驟四，氧化-活化-插層：以碳紙為前驅體，恒溫反應溫度為160～180℃，恒溫反應時間為3～5h，通過水熱氧化反應過程，制得活性碳紙；以制得的活性碳紙為前驅體，并作為電極基體，以0.016～0.018m的過硫酸銨溶液為反應溶液，恒電壓10～15v條件下陽極氧化反應5～10分鐘，通過電化學擴層反應過程，制得擴層活性碳紙；再以制得的擴層活性碳紙為前驅體，以0.08～0.1m的鉬酸鈉溶液為反應溶液，恒溫150～160℃條件下水熱反應5～7h，通過水熱插層反應過程，制得插層結構的鉬酸鈉-活性碳紙電極；
11、步驟五，異質相界面鍵合：將步驟三制得的功能性聚乙烯醇凝膠電解質完全涂覆于鉬酸鈉-活性碳紙電極，鉬酸鈉-活性碳紙電極與功能性聚乙烯醇凝膠電解質異質相界面發生異質相界面鍵合反應，反應溫度為在50～80℃，反應時間為2～8h，制得電極電解質一體化材料。
12、本專利技術所述的一種電極電解質一體化材料在自修復柔性超級電容器的全柔性電化學儲能與智能超級電容器的器件形變、工作溫度檢測中的應用。
13、進一步地，制備方法為：鉬酸鈉-活性碳紙電極分別作為正極和負極，形成對稱型結構電極，功能性聚乙烯醇凝膠電解質作為電解質，正極與負極以等面積平面堆積方式自粘合凝膠電解質，恒溫60～80℃處理12～24小時，通過異質相界面鍵合反應形成電極電解質一體化材料，然后采用彈性硅橡膠膜為封裝膜，對正極、負極、凝膠電解質進行封裝成器件，構成自修復柔本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種電極電解質一體化材料，其特征在于：包括鉬酸鈉-活性碳紙電極(1)和功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)，所述鉬酸鈉-活性碳紙電極(1)與功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)之間形成氫鍵的鍵合作用界面(3)；所述鉬酸鈉-活性碳紙電極(1)為鉬酸鈉插層于活性碳紙的擴層石墨層間隙并形成插層結構；所述功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)為硫酸-亞甲基藍-鉬酸鈉-硼酸-聚乙烯醇凝膠，所述功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)的聚乙烯醇分子鏈之間形成硼酸酯基化學鍵與醇羥基氫鍵的鍵合作用，形成交聯結構的自修復分子鏈(4)；所述一體化電極電解質同時具有電極功能與電解質功能；所述鍵合作用界面(3)與自修復分子鏈(4)兩者共同作用實現一體化電極電解質的自修復功能。
2.根據權利要求1所述的電極電解質一體化材料，其特征在于：所述功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)中的硫酸、亞甲基藍、鉬酸鈉、硼酸、聚乙烯醇的質量比為0.098～0.196:0.050～0.125:0.050～0.125:0.005～0.008:0.5～1.0；所述硫酸實現電解質功能；所述亞甲基藍、鉬酸鈉實現氧化還原活性功能；所述硼酸交聯聚乙烯醇而實
3.根據權利要求1所述的電極電解質一體化材料，其特征在于：所述鉬酸鈉-活性碳紙電極(1)的鉬酸鈉氧酸根與活性碳紙羥基之間以氫鍵連接，鉬酸鈉-活性碳紙電極(1)的活性碳紙羥基和環氧基與功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)的聚乙烯醇羥基之間以氫鍵鏈接。
4.根據權利要求1所述的電極電解質一體化材料，其特征在于：所述鍵合作用界面(3)與自修復分子鏈(4)的共同作用實現一體化電極電解質的自修復功能，鍵合作用界面(3)是指鉬酸鈉-活性碳紙電極(1)和功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)的斷裂界面通過氫鍵的鍵合作用，重新連接起來，實現電極與電解質界面自修復作用功能；所述自修復分子鏈(4)是指功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)的斷裂界面通過硼酸酯鍵與氫鍵的鍵合作用，聚乙烯醇高分子鏈之間通過氫鍵的鍵合作用，重新連接起來，實現功能性聚乙烯醇凝膠自修復作用功能。
5.一種權利要求1所述的電極電解質一體化材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
6.根據權利要求1所述的一種電極電解質一體化材料在自修復柔性超級電容器的全柔性電化學儲能與智能超級電容器的器件形變、工作溫度檢測中的應用。
7.根據權利6所述的一種電極電解質一體化材料在自修復柔性超級電容器的全柔性電化學儲能與智能超級電容器的器件形變、工作溫度檢測中的應用，其特征在于：制備方法為：所述鉬酸鈉-活性碳紙電極(1)分別作為正極與負極，形成對稱型結構電極，功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)作為電解質，正極與負極以等面積平面堆積方式自粘合凝膠電解質，恒溫60～80℃處理12～24小時，通過異質相界面鍵合反應形成一體化電極電解質，然后采用彈性硅橡膠膜為封裝膜，對正極、負極、凝膠電解質進行封裝，構成自修復柔性超級電容器，具有對稱型結構的凝膠態儲能器件。
8.根據權利6所述的一種電極電解質一體化材料在自修復柔性超級電容器的全柔性電化學儲能與智能超級電容器的器件形變、工作溫度檢測中的應用，其特征在于：包含如下柔性儲能性能：所述自修復柔性超級電容器的額定工作電壓為1.4V，在0.5mA?cm-2電流密度下循環充放電2000次后，比電容量84.24mF?cm-2下降至79.32mF?cm-2，比電容量保持率為94.1％；所述自修復柔性超級電容器初始態下的比電容為84.52mF?cm-2，彎曲折疊狀態下比電容達到83.93mF?cm-2，在斷裂自修復狀態下比電容達到81.25mF?cm-2，比電容量保持率為96.1％。在彎曲折疊狀態下和斷裂自修復狀態下可以循環充放電正常工作，實現電化學穩定性柔性儲能。
9.根據權利要求6所述的一種電極電解質一體化材料在自修復柔性超級電容器的全柔性電化學儲能與智能超級電容器的器件形變、工作溫度檢測中的應用，其特征在于：智能超級電容器基于30～90°折疊形變角度-應變響應電流，實現智能超級電容器器件形變實時檢測應用，基于4～60℃工作溫度-應變響應電流，實現智能超級電容器器件工作溫度實時檢測應用；所述智能超級電容器的折疊形變和工作溫度與應變響應電流同時具有正相關性，通過智能超級電容器應變響應電流同時實時檢測器件的形變角度和工作溫度。
10.權利要求1所述的一種電極電解質一體化材料的分子模型，其特征在于：基于第一性原理的密度泛函理論計算，得到能量與結構優化的多組份分子結構模型，獲得分子間距離；所述鉬酸鈉-活性碳紙電極(1)的分子模型為鉬酸鈉氧酸根與石墨層羥基之間以氫鍵連接，所述...
【技術特征摘要】
1.一種電極電解質一體化材料，其特征在于：包括鉬酸鈉-活性碳紙電極(1)和功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)，所述鉬酸鈉-活性碳紙電極(1)與功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)之間形成氫鍵的鍵合作用界面(3)；所述鉬酸鈉-活性碳紙電極(1)為鉬酸鈉插層于活性碳紙的擴層石墨層間隙并形成插層結構；所述功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)為硫酸-亞甲基藍-鉬酸鈉-硼酸-聚乙烯醇凝膠，所述功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)的聚乙烯醇分子鏈之間形成硼酸酯基化學鍵與醇羥基氫鍵的鍵合作用，形成交聯結構的自修復分子鏈(4)；所述一體化電極電解質同時具有電極功能與電解質功能；所述鍵合作用界面(3)與自修復分子鏈(4)兩者共同作用實現一體化電極電解質的自修復功能。
2.根據權利要求1所述的電極電解質一體化材料，其特征在于：所述功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)中的硫酸、亞甲基藍、鉬酸鈉、硼酸、聚乙烯醇的質量比為0.098～0.196:0.050～0.125:0.050～0.125:0.005～0.008:0.5～1.0；所述硫酸實現電解質功能；所述亞甲基藍、鉬酸鈉實現氧化還原活性功能；所述硼酸交聯聚乙烯醇而實現自修復功能；所述聚乙烯醇實現凝膠聚合物介質功能。
3.根據權利要求1所述的電極電解質一體化材料，其特征在于：所述鉬酸鈉-活性碳紙電極(1)的鉬酸鈉氧酸根與活性碳紙羥基之間以氫鍵連接，鉬酸鈉-活性碳紙電極(1)的活性碳紙羥基和環氧基與功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)的聚乙烯醇羥基之間以氫鍵鏈接。
4.根據權利要求1所述的電極電解質一體化材料，其特征在于：所述鍵合作用界面(3)與自修復分子鏈(4)的共同作用實現一體化電極電解質的自修復功能，鍵合作用界面(3)是指鉬酸鈉-活性碳紙電極(1)和功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)的斷裂界面通過氫鍵的鍵合作用，重新連接起來，實現電極與電解質界面自修復作用功能；所述自修復分子鏈(4)是指功能性聚乙烯醇凝膠電解質(2)的斷裂界面通過硼酸酯鍵與氫鍵的鍵合作用，聚乙烯醇高分子鏈之間通過氫鍵的鍵合作用，重新連接起來，實現功能性聚乙烯醇凝膠自修復作用功能。
5.一種權利要求1所述的電極電解質一體化材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
6.根據權利要求1所述的一種電極電解質一體化材料在自修復柔性超級電容器的全柔性電化學儲能與智能超級電容器的器件形變、工作溫度檢測中的應用。
7.根據權利6所述的一種電極電解質一體化材料在自修復柔性超級電容器的全柔...
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