專(zhuān)利名稱(chēng)：一種柔性換能/儲(chǔ)能納米器件及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)以及新能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種柔性換能/儲(chǔ)能納米器 件及制備方法，是關(guān)于以紙纖維網(wǎng)絡(luò)為模板或骨架，在其上構(gòu)建換能納米器件如太陽(yáng)能電 池或儲(chǔ)能納米器件如二次電池、電化學(xué)超級(jí)電容器等。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，大量便攜式電子產(chǎn)品的出現(xiàn)要求有更高性能的便 攜式換能/儲(chǔ)能產(chǎn)品為其提供即時(shí)充電及長(zhǎng)效電源，為開(kāi)拓這一廣闊市場(chǎng)，要求換能/儲(chǔ)能 產(chǎn)品柔性、輕質(zhì)、高效化。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了基于納米材料的換能/儲(chǔ)能納 米器件，如染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池就是二十世紀(jì)九十代初開(kāi)發(fā)出的一種基于納米技術(shù) 的新型太陽(yáng)能電池，其最大特點(diǎn)就是利用高比表面積的納米晶半導(dǎo)體氧化物作為器件的主 要結(jié)構(gòu)，經(jīng)染料敏化后吸收太陽(yáng)光，并承擔(dān)光生電子傳輸通道，這種結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池最高光 電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到11 %。與此同時(shí)，納米技術(shù)在二次電池、電化學(xué)超級(jí)電容器等儲(chǔ)能器件 上的應(yīng)用也顯示出優(yōu)越的性能。目前，這些換能/儲(chǔ)能器件的柔性化是熱點(diǎn)研究課題，其不 僅可實(shí)現(xiàn)器件的柔性、輕質(zhì)，而且可采用滾動(dòng)式連續(xù)生產(chǎn)方式，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成 本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種柔性換能/儲(chǔ)能納米器件及制備方法，其核心部分是利 用紙纖維三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建換能/儲(chǔ)能納米器件各電極，經(jīng)組裝并封裝后即可獲得柔性 器件，為低廉的生產(chǎn)這類(lèi)換能/儲(chǔ)能納米器件提供條件。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的解決方案是一種柔性換能/儲(chǔ)能納米器件，以紙纖維網(wǎng)絡(luò)為模板或骨架，在其上構(gòu)建換能/儲(chǔ) 能納米器件電極，再組裝成器件，其中換能納米器件為太陽(yáng)能電池，包括染料敏化納米晶太 陽(yáng)能電池、聚合物太陽(yáng)能電池和有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池等；儲(chǔ)能納米器件為二次電池或電 容器，包括聚合物二次電池、鋰離子二次電池和電化學(xué)超級(jí)電容器等。所述的以紙纖維網(wǎng)絡(luò)為模板或骨架，具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以其為模板或骨架，構(gòu)建 具有相同結(jié)構(gòu)的金屬(銀、銅、鎳、鈦、鋁、鋅、錫、鐵、鈷、鉬等)、碳、聚合物導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。所述的換能納米器件中染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上 制備或涂覆納米半導(dǎo)體氧化物(Ti02、ZnO, SnO2等)并加以敏化(有機(jī)染料、天然染料、量 子點(diǎn)等)而形成光電極；在其上制備電解質(zhì)催化劑(鉬、碳、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙 炔、聚吡啶、聚對(duì)苯撐等)而形成對(duì)電極；在紙纖維網(wǎng)絡(luò)上直接涂覆凝膠或固態(tài)電解質(zhì)而形 成含隔膜的電解質(zhì)層；將上述光電極、電解質(zhì)層及對(duì)電極按次序組裝并封裝后即可獲得柔 性染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池。所述的換能納米器 件中聚合物太陽(yáng)能電池，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上涂覆給 體-受體體系形成光電極，其中給體可為C6(1、TiO2, ZnO, SnO2等N-型納米顆粒中的一種或多種，受體可為聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚對(duì)苯撐及上述聚合物衍生物等ρ-型導(dǎo) 電聚合物中的一種或多種，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為對(duì)電極；將上述兩電極組裝并封裝后即可獲得柔 性聚合物太陽(yáng)能電池。所述的換能納米器件中有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上涂覆 給體_受體體系形成光電極，其中給體可為二萘嵌苯、C6(1、Ti02、Zn0、SnO2等N-型納米顆粒 中的一種或多種，受體可為酞菁、嚇啉、菁等P-型有機(jī)小分子中的一種或多種，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò) 為對(duì)電極；將上述兩電極組裝并封裝后即可獲得柔性有機(jī)小太陽(yáng)能電池。所述的儲(chǔ)能納米器件中聚合物二次電池，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上制備或涂覆 導(dǎo)電聚合物氧化態(tài)電極；再在另一基板上制備或涂覆導(dǎo)電聚合物還原態(tài)電極；在紙纖維網(wǎng) 絡(luò)上直接涂覆凝膠或固態(tài)電解質(zhì)而形成含隔膜的電解質(zhì)層；將氧化態(tài)電極、電解質(zhì)層及還 原態(tài)電極組裝并封裝后即可獲得柔性聚合物二次電池。其中導(dǎo)電聚合物為聚苯胺、聚吡咯、 聚噻吩、聚乙炔、聚對(duì)苯撐、聚吡啶及上述聚合物衍生物等一種或多種。所述的儲(chǔ)能納米器件中鋰離子二次電池，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為 基板，在其上制備或涂覆 電池正極納米材料(LiCo02、LiNi02、LiMn204、LiFeP04、V205等及其衍生物)；再在另一基板上 制備或涂覆電池負(fù)極納米材料(石墨、硬碳、軟碳、中間相碳微球、碳纖維、碳納米管、鋰-硅 合金、鋰-錫合金等)；在紙纖維網(wǎng)絡(luò)上直接涂覆凝膠或固態(tài)電解質(zhì)而形成含隔膜的電解質(zhì) 層；將電池正極、電解質(zhì)層及負(fù)極組裝并封裝后即可獲得柔性鋰離子二次電池。所述的儲(chǔ)能納米器件中電化學(xué)超級(jí)電容器，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上制備或涂 覆電化學(xué)超級(jí)電容器電極材料(活性碳粉末、活性碳纖維、碳?xì)饽z、碳納米管、碳黑、氧 化釕、氧化鎳、氧化鈷、氧化錳、氧化鐵、氧化鉬、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚對(duì)苯撐 等)，將電解質(zhì)填充于兩電極中，封裝后即可獲得柔性電化學(xué)超級(jí)電容器。上述的各換能/儲(chǔ)能納米器件具有相同的結(jié)構(gòu)，為兩電極間填充電解質(zhì)的“三明 治”式結(jié)構(gòu)，本發(fā)明各器件的制備可以按照下述相同的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)第一步，以紙纖維網(wǎng)絡(luò)為模板或骨架，在其上構(gòu)建具有相同結(jié)構(gòu)的金屬(銀、銅、 鎳、鈦、鋁、鋅、錫、鐵、鈷、鉬等)、碳、聚合物導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；第二步，以第一步制備的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為導(dǎo)電基板，在其上構(gòu)建換能/儲(chǔ)能納米器件 各電極；第三步，將凝膠或固態(tài)電解質(zhì)涂覆于紙纖維網(wǎng)絡(luò)中，形成以紙纖維為多孔隔膜的 電解質(zhì)層；第四步，將各納米器件兩電極及電解質(zhì)層按照“三明治”式結(jié)構(gòu)組裝并封裝，其中 電解質(zhì)層在中間。采用上述方案后，本發(fā)明針對(duì)器件柔性化問(wèn)題，利用紙纖維網(wǎng)絡(luò)為模板或骨架，在 其上構(gòu)建換能納米器件如太陽(yáng)能電池或儲(chǔ)能納米器件如二次電池、電化學(xué)超級(jí)電容器等。 紙是以自然界光合作用產(chǎn)物纖維素為原料，是一種可再生的綠色產(chǎn)品，并被人類(lèi)大量利用， 將其引入到換能/儲(chǔ)能器件中，具有重要生態(tài)及經(jīng)濟(jì)意義。由于紙纖維網(wǎng)絡(luò)呈三維多孔結(jié) 構(gòu)，以其為模板或骨架可制備出輕質(zhì)柔性三維換能/儲(chǔ)能納米器件，可降低生產(chǎn)成本。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明揭示的一種柔性換能/儲(chǔ)能納米器件，以紙纖維網(wǎng)絡(luò)為模板或骨架，在其上構(gòu)建換能/儲(chǔ)能納米器件電極，再組裝成器件。具體制備方法是第一步，將紙纖維浸入含各金屬(銀、銅、鎳、鈦、鋁、鋅、錫、鐵、鈷、鉬等)離子的水 溶液中，在氮?dú)夥障掠脷錃鈱⑵溥€原為金屬，或直接用強(qiáng)氧化劑如硼氫化物、水合胼等將其 還原為金屬，或用金屬置換反應(yīng)將其還原為金屬，以形成具有紙纖維結(jié)構(gòu)的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。第二步，將配制好的納米器件各電極材料涂覆在或原位生成于由第一步制備的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)上，形成電極。第三步，將凝膠或固態(tài)電解質(zhì)涂覆于紙纖維網(wǎng)絡(luò)中，形成以紙纖維為多孔隔膜的 電解質(zhì)層。第四步，將各納米器件兩電極及電解質(zhì)層按照“三明治”式結(jié)構(gòu)組裝并封裝，其中 電解質(zhì)層在中間。其中換能納米器件為太陽(yáng)能電池，包括染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池、聚合物太陽(yáng) 能電池和有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池等；儲(chǔ)能納米器件為二次電池或電容器，包括聚合物二次 電池、鋰離子二次電池和電化學(xué)超級(jí)電容器等。對(duì)于染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池而言，是以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上制備或涂覆 納米半導(dǎo)體氧化物(Ti02、ZnO, SnO2等)并加以敏化(有機(jī)染料、天然染料、量子點(diǎn)等)形 成光電極；在其上制備電解質(zhì)催化劑(鉬、碳、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚吡啶、聚 對(duì)苯撐等)形成對(duì)電極；在紙纖維網(wǎng)絡(luò)上直接涂覆凝膠或固態(tài)電解質(zhì)而形成含隔膜的電解 質(zhì)層；將上述光電極、電解質(zhì)層及對(duì)電極按次序組裝并封裝后即可獲得柔性染料敏化納米 晶太陽(yáng)能電池。對(duì)于聚合物太陽(yáng)能電池而言，是以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上涂覆給體-受體體系 形成光電極，其中給體可為(6(1、1102、2110、31102等^型納米顆粒中的一種或多種，受體可為 聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚對(duì)苯撐及上述聚合物衍生物等P-型導(dǎo)電聚合物中的一 種或多種，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為對(duì)電極，將上述兩電極組裝并封裝后即可獲得柔性聚合物太陽(yáng)能 電池。對(duì)于有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池而言，是以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上涂覆給體-受體 體系形成光電極，其中給體可為二萘嵌苯、c6(l、Ti02、ZnO、SnO2等N-型納米顆粒中的一種或 多種，受體可為酞菁、嚇啉、菁等P-型有機(jī)小分子中的一種或多種，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為對(duì)電極， 將上述兩電極組裝并封裝后即可獲得柔性有機(jī)小太陽(yáng)能電池。對(duì)于聚合物二次電池而言，是導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上制備或涂覆導(dǎo)電聚合物氧 化態(tài)電極；再在另一基板上制備或涂覆導(dǎo)電聚合物還原態(tài)電極；在紙纖維網(wǎng)絡(luò)上直接涂覆 凝膠或固態(tài)電解質(zhì)而形成含隔膜的電解質(zhì)層；將氧化態(tài)電極、電解質(zhì)層及還原態(tài)電極組裝 并封裝后即可獲得柔性聚合物二次電池。其中導(dǎo)電聚合物為聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙 炔、聚對(duì)苯撐、聚吡啶及上述聚合物衍生物等一種或多種。對(duì)于鋰離子二次電池而言，是以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上制備或涂覆電池正極納 米材料(LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4, LiFePO4, V2O5等及其衍生物)；再在另一基板上制備或涂 覆電池負(fù)極納米材料(石墨、硬碳、軟碳、中間相碳微球、碳纖維、碳納米管、鋰-硅合金、 鋰-錫合金等)；在紙纖維網(wǎng)絡(luò)上直接涂覆凝膠或固態(tài)電解質(zhì)而形成含隔膜的電解質(zhì)層；將 電池正極、電解質(zhì)層及負(fù)極組裝并封裝后即可獲得柔性鋰離子二次電池。
對(duì)于電化學(xué)超級(jí)電容器而言，是以導(dǎo) 電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上制備或涂覆電化學(xué)超 級(jí)電容器電極材料(活性碳粉末、活性碳纖維、碳?xì)饽z、碳納米管、碳黑、氧化釕、氧化鎳、 氧化鈷、氧化錳、氧化鐵、氧化鉬、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚對(duì)苯撐等)，將電解質(zhì) 填充于兩電極中，封裝后即可獲得柔性電化學(xué)超級(jí)電容器。
權(quán)利要求
一種柔性換能/儲(chǔ)能納米器件，其特征在于以紙纖維網(wǎng)絡(luò)為模板或骨架，在其上構(gòu)建換能/儲(chǔ)能納米器件電極，再組裝成器件，其中換能納米器件為太陽(yáng)能電池，包括染料敏化太陽(yáng)能電池、聚合物太陽(yáng)能電池和有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池；儲(chǔ)能納米器件為二次電池或電容器，包括聚合物二次電池、鋰離子二次電池和電化學(xué)超級(jí)電容器。
2.如權(quán)利要求1所述的一種柔性換能/儲(chǔ)能納米器件，其特征在于所述的以紙纖維 網(wǎng)絡(luò)為模板或骨架，具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以其為模板或骨架，構(gòu)建具有相同結(jié)構(gòu)的金屬、碳、 聚合物導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，其中金屬指銀、銅、鎳、鈦、鋁、鋅、錫、鐵、鈷或鉬。
3.如權(quán)利要求2所述的一種柔性換能/儲(chǔ)能納米器件，其特征在于所述的換能納米 器件中染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上制備或涂覆納米半導(dǎo)體氧 化物并加以敏化形成光電極；在其上制備電解質(zhì)催化劑而形成對(duì)電極；在紙纖維網(wǎng)絡(luò)上直 接涂覆凝膠或固態(tài)電解質(zhì)而形成含隔膜的電解質(zhì)層；將上述光電極、電解質(zhì)層和對(duì)電極按 次序組裝并封裝后即可獲得柔性染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池。
4.如權(quán)利要求2所述的一種柔性換能/儲(chǔ)能納米器件，其特征在于所述的換能納米 器件中聚合物太陽(yáng)能電池，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上涂覆給體-受體體系形成光電極，其 中給體為C6(1、Ti02、ZnO、Sn02等N_型納米顆粒中的一種或多種，受體為聚苯胺、聚吡咯、聚 噻吩、聚乙炔、聚對(duì)苯撐及上述聚合物衍生物等P-型導(dǎo)電聚合物中的一種或多種，以導(dǎo)電 網(wǎng)絡(luò)為對(duì)電極，將上述兩電極組裝并封裝后即可獲得柔性聚合物太陽(yáng)能電池。
5.如權(quán)利要求2所述的一種柔性換能/儲(chǔ)能納米器件，其特征在于所述的換能納米 器件中有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上涂覆給體-受體體系 形成光電 極，其中給體為二萘嵌苯、C6(l、Ti02、ZnO、Sn02等N_型納米顆粒中的一種或多種，受體為酞 菁、嚇啉、菁等P-型有機(jī)小分子中的一種或多種，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為對(duì)電極；將上述兩電極組裝 并封裝后即可獲得柔性有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池。
6.如權(quán)利要求2所述的一種柔性換能/儲(chǔ)能納米器件，其特征在于所述的儲(chǔ)能納米 器件中聚合物二次電池，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上制備或涂覆導(dǎo)電聚合物氧化態(tài)電極，在 另一基板上制備或涂覆導(dǎo)電聚合物還原態(tài)電極；在紙纖維網(wǎng)絡(luò)上直接涂覆凝膠或固態(tài)電解 質(zhì)而形成含隔膜的電解質(zhì)層；將氧化態(tài)電極、電解質(zhì)層及還原態(tài)電極組裝并封裝后即可獲 得柔性聚合物二次電池，其中導(dǎo)電聚合物為聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚對(duì)苯撐、聚 吡啶及上述聚合物衍生物等一種或多種。
7.如權(quán)利要求2所述的一種柔性換能/儲(chǔ)能納米器件，其特征在于所述的儲(chǔ)能納米 器件中鋰離子二次電池，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上制備或涂覆電池正極納米材料；再在另 一基板上制備或涂覆電池負(fù)極納米材料；在紙纖維網(wǎng)絡(luò)上直接涂覆凝膠或固態(tài)電解質(zhì)而形 成含隔膜的電解質(zhì)層；將電池正極、電解質(zhì)層及負(fù)極組裝并封裝后即可獲得柔性鋰離子二 次電池。
8.如權(quán)利要求2所述的一種柔性換能/儲(chǔ)能納米器件，其特征在于所述的儲(chǔ)能納米 器件中電化學(xué)超級(jí)電容器，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上制備或涂覆電化學(xué)超級(jí)電容器電極 材料，將電解質(zhì)填充于兩電極中，封裝后即可獲得柔性電化學(xué)超級(jí)電容器。
9.如權(quán)利要求1所述的一種柔性換能/儲(chǔ)能納米器件，其特征在于各器件的制備步 驟是第一步，以紙纖維網(wǎng)絡(luò)為模板或骨架，在其上構(gòu)建具有相同結(jié)構(gòu)的金屬、碳、聚合物導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；第二步，以第一步制備的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上構(gòu)建換能/儲(chǔ)能納米器件各電極； 第三步，將凝膠或固態(tài)電解質(zhì)涂覆于紙纖維網(wǎng)絡(luò)中，形成以紙纖維為多孔隔膜的電解 質(zhì)層；第四步，將各納米器件兩電極及電解質(zhì)層按照“三明治”式結(jié)構(gòu)組裝并封裝，其中電解 質(zhì)層在中間。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種柔性換能/儲(chǔ)能納米器件，屬于納米材料技術(shù)以及新能源技術(shù)領(lǐng)域，是以紙纖維網(wǎng)絡(luò)為模板或骨架，在其上構(gòu)建換能/儲(chǔ)能納米器件電極，再組裝成器件，如太陽(yáng)能電池、二次電池、電化學(xué)超級(jí)電容器等。制法是先以紙纖維網(wǎng)絡(luò)為模板或骨架，在其上構(gòu)建具有相同結(jié)構(gòu)的金屬、碳、聚合物導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；以第一步制備的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為基板，在其上構(gòu)建換能/儲(chǔ)能納米器件各電極；然后，將凝膠或固態(tài)電解質(zhì)涂覆于紙纖維網(wǎng)絡(luò)中，形成以紙纖維為多孔隔膜的電解質(zhì)層；最后，將各納米器件兩電極及電解質(zhì)層按照“三明治”式結(jié)構(gòu)組裝并封裝，電解質(zhì)層在中間。由于紙纖維網(wǎng)絡(luò)呈三維多孔結(jié)構(gòu)，以其為模板或骨架可制備出柔性三維換能/儲(chǔ)能納米器件，降低生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)H01L51/48GK101857191SQ20101015252
公開(kāi)日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者蘭章, 吳季懷 申請(qǐng)人:華僑大學(xué)