本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種混合超級(jí)電容器及其制備方法。本發(fā)明專利技術(shù)將法拉第贗電容機(jī)制與雙電層電容機(jī)制協(xié)調(diào)組合于一個(gè)儲(chǔ)能器件中，正極電活性物質(zhì)采用炭材料，負(fù)極電活性物質(zhì)采用氧化鐵材料，電解液為離子液體，組裝成混合超級(jí)電容器。該電容器具有雙電層電容器和法拉第贗電容器的雙重特征，它不僅具有充放電速度快、功率密度大、內(nèi)阻小、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且也具有容量大，平均電壓高、能量密度大的特性。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及。
技術(shù)介紹
超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)能器件，屬于標(biāo)準(zhǔn)的全系列低碳經(jīng)濟(jì)核心產(chǎn)品，它的功率密度遠(yuǎn)高于鋰電池，充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)50萬(wàn)次以上，壽命達(dá)10年以上，其最大的優(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)良的脈沖充放電性能和快速充放電性能，同時(shí)還具有工作溫度范圍寬、安全、無(wú)污染等特性，在電動(dòng)車、混合動(dòng)力汽車、升降電梯、輔助電源、風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，已成為本世紀(jì)最具發(fā)展前景的綠色電源，并有望在某些領(lǐng)域取代傳統(tǒng)蓄電池。然而，超級(jí)電容器的能量密度與鋰離子電池、鎳氫電池等相比還是比較低的，有待于進(jìn)一步提聞。超級(jí)電容器按照儲(chǔ)能機(jī)理可分為雙電層電容器(基于雙電荷層機(jī)理)和法拉第贗電容器(基于法拉第氧化還原反應(yīng))，雙電層電容器是最早出現(xiàn)的電化學(xué)電容器，可實(shí)現(xiàn)快速充放電，具備高的功率密度，但其能量密度一般小于10 Wh/kg。法拉第贗電容器不僅可以通過(guò)雙電層存儲(chǔ)能量，同時(shí)也可通過(guò)電極材料的氧化還原反應(yīng)把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)起來(lái)，因此法拉第贗電容器有更高的比能量。超級(jí)電容器還可分為對(duì)稱型電容器和不對(duì)稱型電容器，其中正負(fù)極材料電化學(xué)機(jī)理相同或相似的為對(duì)稱型電容器，不相同的則為不對(duì)稱型電容器。在不對(duì)稱型電容器中，一個(gè)電極主要利用雙電層機(jī)理而另一個(gè)電極則主要利用電化學(xué)反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存或轉(zhuǎn)化能量，所以又稱混合電容器?；旌想娙萜骶哂须p電層電容器和二次電池的雙重特征，可以充分利用不同材料在不同電位區(qū)間下的電容特性來(lái)提高超級(jí)電容器的工作電壓范圍和能量值，它不僅具有充放電速度快、功率密度大、內(nèi)阻小、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且也具有容量大，平均電壓高、能量密度大的特性。因此，混合電容器是滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)電容器電源系統(tǒng)能量密度和功率密度的整體要求的最佳選擇。根據(jù)超級(jí)電容器能量密度計(jì)算公式E=1/2CV2可知，想要提高超級(jí)電容器的能量密度可以從三個(gè)方面著手:一、開(kāi)發(fā)高容量的電極活性材料，如何增加材料的比表面積和獲得有效孔徑分布成為研究的重點(diǎn)；二、開(kāi)發(fā)高電位窗口的電解液，電解液為水系的超級(jí)電容器單體電壓不超過(guò)1.2 V，而有機(jī)電解液可將電容器的工作電壓提高到2.7 V。離子液體作為電解液具有較大的電化學(xué)窗口(高達(dá)4V)、良好的導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性和極好的抗氧化性，因此，用離子液體作為炭基超級(jí)電容器的電解液已經(jīng)開(kāi)始得到了科研工作者的關(guān)注；三、組裝混合電容器，尤其是有機(jī)電解液體系的混合電容器可進(jìn)一步提高電容器的能量密度，最近文獻(xiàn)報(bào)道的鋰離子混合電容器的能量密度最高可達(dá)95 Wh/kg。超級(jí)電容器電極材料，包括各種炭材料、金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物，是超級(jí)電容器的關(guān)鍵所在。炭材料產(chǎn)生的電容主要是雙電層電容。炭材料來(lái)源廣泛，具有高的比表面積，優(yōu)良的導(dǎo)電性能，良好的化學(xué)穩(wěn)定性和較低的膨脹系數(shù)，且可根據(jù)需要制成多種形態(tài)等特點(diǎn)，因而作為超級(jí)電容器的電極材料而得到了廣泛研究和實(shí)際應(yīng)用。目前，用于制備超級(jí)電容器的炭材料主要有活性炭、介孔炭材料、炭纖維、碳納米管和石墨烯等。與炭材料相比較而言，金屬氧化物(包括RuO2、MnO2、Ni O、T12, Co3O4, Fe3O4等)能產(chǎn)生高的能量密度，它們依靠電解液離子作為傳輸介質(zhì)，通過(guò)電極材料在充放電過(guò)程中發(fā)生可逆的法拉第氧化還原反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放。因而其能量密度雖不能與傳統(tǒng)電池相比，卻是普通電容器的10倍以上，且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。然而金屬氧化物材料本身電子電導(dǎo)率和電解液離子遷移率較低，這就在很大程度上影響了其材料利用率，從而使其電容量距離理論數(shù)值有相當(dāng)大的差距。因此，將適量納米碳與氧化物進(jìn)行復(fù)合來(lái)提高氧化物的導(dǎo)電性和材料利用率已成為目前超級(jí)電容器氧化物基電極材料研究與開(kāi)發(fā)的一個(gè)新趨勢(shì)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是針對(duì)電容器能量密度低的問(wèn)題而提供。我們研究得知:氧化鐵材料在特定離子液體電解液中不僅具有法拉第贗電容行為，而且展示出了很高的比容量。開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新思路，即把炭材料和氧化鐵材料同時(shí)應(yīng)用到離子液體電解液超級(jí)電容器中，從而提高傳統(tǒng)炭材料基電容器的能量密度。本專利技術(shù)利用離子液體電解液高的工作電壓窗口，結(jié)合氧化鐵在離子液體中表現(xiàn)出的電化學(xué)贗電容行為，又選取炭材料作為正極材料組裝成一種具有“雙電層電容-法拉第贗電容-離子液體”復(fù)合儲(chǔ)能新特點(diǎn)、高能量密度、高功率密度且長(zhǎng)循環(huán)壽命的混合超級(jí)電容器。本專利技術(shù)將法拉第贗電容機(jī)制與雙電層電容機(jī)制協(xié)調(diào)組合于一個(gè)儲(chǔ)能器件中，正極電活性物質(zhì)采用炭材料，負(fù)極電活性物質(zhì)采用氧化鐵材料，電解液為離子液體，組裝成混合超級(jí)電容器。一種混合超級(jí)電容器，其特征在于該電容器由正極片、負(fù)極片、介于正負(fù)極片之間的隔膜以及電解液組成；所述的正極片是涂覆有炭材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的混合物的泡沫鎳片或鋁箔片，所述的負(fù)極片是涂覆有氧化鐵或氧化鐵與炭材料的復(fù)合材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的混合物的泡沫鎳片，所述的隔膜為多孔纖維隔膜，所述的電解液為離子液體，離子液體的陽(yáng)離子為1-乙基-3-甲基咪唑離子、1，3-二甲基咪唑離子、1-丁基-3-甲基咪唑離子、N-乙基吡啶離子或四丁基銨離子，陰離子為四氟硼酸根、六氟磷酸根、硫酸根、羧酸根或氨基酸根。本專利技術(shù)所述的正極片中，炭材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的混合物的組成為炭材料80?90 wt%、導(dǎo)電劑5?10 wt%、粘結(jié)劑5?10 wt% ;炭材料為活性炭、石墨烯、碳納米管、炭纖維、炭氣凝膠或介孔碳；導(dǎo)電劑為石墨粉、炭黑或乙炔黑；粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或水溶性橡膠。本專利技術(shù)所述的負(fù)極片中，氧化鐵或氧化鐵與炭材料的復(fù)合材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的混合物的組成為氧化鐵或氧化鐵與炭材料的復(fù)合材料40?90 wt%、導(dǎo)電劑5?50wt%、粘結(jié)劑5?10 wt% ;導(dǎo)電劑為石墨粉、炭黑或乙炔黑；粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或水溶性橡膠。本專利技術(shù)所述的氧化鐵為Fe203、Fe3O4, FeOOH。本專利技術(shù)所述的多孔纖維隔膜的厚度為20 μ m?50 μ m。本專利技術(shù)所述的離子液體的陽(yáng)離子優(yōu)選為1-乙基-3-甲基咪唑離子、1，3-二甲基咪唑離子或1- 丁基-3-甲基咪唑離子，陰離子優(yōu)選為四氟硼酸根或六氟磷酸根。本專利技術(shù)所述的混合超級(jí)電容器的形狀為圓筒型、方型和紐扣型，其外殼采用有機(jī)塑料、金屬材料或者金屬有機(jī)材料的復(fù)合材料。一種混合超級(jí)電容器的制備方法，其特征在于該方法步驟為: 1)正極片的制備 將炭材料80?90 wt%、導(dǎo)電劑5?10 wt%、粘結(jié)劑5?10 wt%混合均勻后，涂覆在泡沫鎳或金屬鋁箔上，將涂覆電極材料后的泡沫鎳或鋁箔輥壓成片并烘干，最后將電極片裁切成為長(zhǎng)方形或圓形； 2)負(fù)極片的制備 將氧化鐵或氧化鐵與炭材料的復(fù)合材料40?90 wt%、導(dǎo)電劑5?50 wt%、粘結(jié)劑5?10 wt%混合均勻后，涂覆在泡沫鎳上，將涂覆電極材料后的泡沫鎳輥壓成片并烘干，最后將電極片裁切成為長(zhǎng)方形或圓形； 3)組裝電容器 將正極片、隔膜和負(fù)極片依次疊加，組成緊密結(jié)構(gòu)，注入電解液，電解液選自離子液體，離子液體的陽(yáng)離子為1-乙基-3-甲基咪唑離子、1，3-二甲基咪唑離子、1-丁基-3-甲基咪唑離子、N-乙基吡啶離子或四丁基銨離子，陰離子為四氟硼酸根、六氟磷酸根、硫酸根、羧酸根或氨基酸根；引出正極引線和負(fù)極引線，外殼封裝組裝成電容器。本專利技術(shù)的效果益處:以具有寬電位窗口的離子液體為電解液，以大本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種混合超級(jí)電容器，其特征在于該電容器由正極片、負(fù)極片、介于正負(fù)極片之間的隔膜以及電解液組成；所述的正極片是涂覆有炭材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的混合物的泡沫鎳片或鋁箔片，所述的負(fù)極片是涂覆有氧化鐵或氧化鐵與炭材料的復(fù)合材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的混合物的泡沫鎳片，所述的隔膜為多孔纖維隔膜，所述的電解液為離子液體，離子液體的陽(yáng)離子為1?乙基?3?甲基咪唑離子、1,3?二甲基咪唑離子、1?丁基?3?甲基咪唑離子、N?乙基吡啶離子或四丁基銨離子，陰離子為四氟硼酸根、六氟磷酸根、硫酸根、羧酸根或氨基酸根。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：閻興斌，郎俊偉，孫世雄，薛群基，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：甘肅;62
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