一種基于納米多孔金屬導電聚合物的超級電容器材料及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種基于納米多孔金屬導電聚合物的超級電容器材料，包括多空金屬和聚合到金屬表面的噻吩系列導電聚合物。本發明專利技術還提供了一種基于納米多孔金屬導電聚合物的超級電容器材料的制作方法，包括如下步驟：脫合金法制備納米多孔金屬；配制溶液；采用循環伏安法對電極進行活化；電聚合；所述多孔金屬為金；所述導電聚合物為聚3，4乙烯二氧噻吩。推廣使用超級電容器，能夠適度減少石油消耗，減輕對石油進口的依賴；有效地解決城市汽車尾氣污染；擺脫傳統電子行業和能源產業對鉛酸電池等其它電池的依賴。而該項技術的發明專利技術，即基于納米多孔金屬導電聚合物的電極材料，在很大程度上將會推動超級電容器的推廣使用。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種基于納米多孔金屬噻吩系列導電聚合物的超級電容器材料及其制備方法。
技術介紹
為了解決化石能源日趨短缺帶來的能源危機和化石能源過度使用造成的環境污染，新型能源裝置研究引起廣泛關注。與燃料電池、鋰離子電池、化學二次電池相比，超級電 容器功率密度非常高、循環壽命長，并具有充放電速度快、效率高、對環境無污染、使用溫度范圍寬、安全性高等特點。
技術實現思路
本專利技術為解決上述技術問題，提供，它具有能夠制作體積小，容量大，功率高，溫度特性好，壽命長的超級電容器的優點。為了實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案。超級電容器又稱電化學電容器，其性能依賴于組成電容器的電極活性材料，本專利技術即重點研究了一種基于納米多孔金屬導電聚合物的超級電容器的電極材料。納米多孔金屬作為基底，具有良好的導電性，并且提供大的比表面積，實驗用多孔金屬常為多孔金、多孔鎮等。 一種基于納米多孔金屬導電聚合物的超級電容器材料，包括多空金屬和聚合到金屬表面的噻吩系列導電聚合物。所述噻吩系列導電聚合物可以為聚3，4乙烯二氧噻吩、聚噻吩、聚3-辛基噻吩或聚3-甲基噻吩。所述多空金屬為多孔金或多孔鎳。所述多空金屬為多孔金，噻吩系列導電聚合物為聚3，4乙烯二氧噻吩，所述多孔金和聚3，4乙烯二氧噻吩的質量比為O. 34-1. 86。本專利技術還提供了一種基于納米多孔金屬導電聚合物的超級電容器材料的制作方法，包括如下步驟 O脫合金法制備納米多孔金屬； 2)配制溶液； 3)采用循環伏安法對電極進行活化； 4)電聚合。所述多孔金屬為金。所述導電聚合物為聚3，4乙烯二氧噻吩。所述步驟I)中，在20°C _35°C下，用濃硝酸對納米級的金銀合金薄片進行腐蝕，腐蝕20min-40min，以制取納米多孔金；將納米多孔金置于玻碳電極上，充分干燥2h_3h。所述步驟2)中，配制濃度為0.05mOl/L-0.2mOl/L的高氯酸鋰乙腈溶液，加入320 μ L的3，4乙烯二氧噻吩單體，獲得電聚合所需的單體溶液。所述步驟3)中，電壓窗口控制在-O. 5V到I. 5V之間的某個區間上，掃描速度為80-100mV/s。所述步驟4)中，采用循環伏安法，電壓窗口控制在-O. 7V到I. 5V之間，掃描速度為40-60mV/s，分別選擇聚合不同的圈數以找到最佳聚合量；聚合完成以后進行一次恒電位掃描。本專利技術的原理為 1，超級電容器的能量存儲是通過在電極/電解液界面發生非法拉第的表面離子吸附 而形成雙電層(也稱為雙電層超級電容器)，或/和發生快速法拉第表面氧化還原反應(也稱為贗電容器)。贗電容是電活性物質進行欠電位沉積，發生高度可逆的化學吸附/脫附或氧化/還原反應，產生與充電電位有關的電容。本專利技術是基于以上第二個原理進行電極材料的設計以及超級電容器的設計。2，使用電化學沉積方法對多孔金屬襯底材料進行表面功能化修飾，通過擔載可控數量的導電聚合物制備出一系列具有電容性能、可控表層結構的納米多孔復合材料。3，將所得復合材料組裝成電容器，并利用電化學阻抗譜、循環伏安法、恒電流充放電等技術研究其電容性能以及導電聚合物等多孔金屬電極材料在連續的電位掃描過程中的穩定性。優化材料結構和形態來獲得高能量和功率密度。本專利技術的有益效果超級電容器可在有記憶儲存功能的電子產品(稅控機、數碼相機、掌上電腦等)中做后備電源，進行數據保護和備份；還可用于智能電網中，提供短時供電，用作能量緩沖裝置，改善微電網的電能質量；新能源汽車中，用作電動車輛輔助動力電源，用作起步，加速和制動及能量的回收，有效保護蓄電池，延長蓄電池使用壽命，節能環保；用于風力、太陽能發電系統作能量儲備，在并網上能提供穩定電能輸入。總之，推廣使用超級電容器，能夠適度減少石油消耗，減輕對石油進口的依賴；有效地解決城市汽車尾氣污染；擺脫傳統電子行業和能源產業對鉛酸電池等其它電池的依賴。而該項技術的專利技術，即基于納米多孔金屬導電聚合物的電極材料，在很大程度上將會推動超級電容器的推廣使用。附圖說明圖I為納米多孔金微觀表面形貌(SEM)。圖2為導電聚合物聚合(聚合I圈)到納米多孔金上的表面形貌(SEM)。圖3為導電聚合物聚合(聚合3圈)到納米多孔金上的表面形貌(SEM)。圖4為納米多孔金導電聚合物復合電極材料的微觀厚度及彎曲性能。具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本專利技術作進一步說明。圖I為納米多孔金微觀表面形貌(SEM)，本實施例將多孔金和聚3，4乙烯二氧噻吩做成復合電極材料(導電聚合物聚合到多孔金上的微觀結構見圖2和圖3)，研究其電容性能。本實施例用直徑為4mm的電極，多孔金的厚度為lOOnm，質量為8. 5X10_6g。I)脫合金法制備納米多孔金。在一定的溫度(20°C -35°C之間)下，最佳溫度為30°C,用濃硝酸對納米級的金銀合金薄片(Au/Ag films ； 12-carat, Sepp Leaf Products,New York)進行腐蝕，腐蝕一定時間(大約20min-40min)，實驗時最佳時間取30min，以制取納米多孔金。將納米多孔金置于玻碳電極上，充分干燥一定時間(最佳時間為2-3h)。2)配制溶液。首先配制一定濃度(O. 05mol/L-0. 2mol/L),最佳濃度為O. lmol/L的高氯酸鋰乙腈溶液，加入320 μ L的3，4乙烯二氧噻吩單體，獲得電聚合所需的單體溶液。3)采用循環伏安法對電極進行活化。電壓窗口控制在-0.5V到1.5V之間的某個區間上(實驗最佳值為-O. 24V到I. 5V)，掃描速度為80-100mV/s(實驗最佳值為100mV/S)。4)電聚合。采用循環伏安法，電壓窗口控制在-0. 7V到I. 5V之間的某個區間上(實驗最佳區間為-0. 7V到I. 35V)，掃描速度為40-60mV/s (實驗最佳值為50mV/s)。分別選擇聚合不同的圈數(不同時間)以找到最佳聚合量。聚合完成以后 進行一次恒電位掃描。5)充放電，將所得電極材料組裝成三電極系統，并利用循環伏安法、恒電流充放電等技術研究其電容性能。循環伏安法，電解質為一定濃度(0. 05mol/L-0. 2mol/L)的高氯酸溶液(最佳濃度為0. lmol/L)，將電壓窗口控制在-0. 5V到IV之間的某個區間上(實驗最佳區間為-0. 3V到0. 7V)，掃描速度為80-100mV/s(實驗取100mV/s)，可以測得不同聚合量相對應的電容大小。也可以設置不同的充放電時間以研究其充放電穩定性。恒電流充放電技術根據循環伏安法測得結果設定合理的電流取值，進行充放電實驗，可以測得充放電所對應的時間。6)超級電容器的組裝。主要包括電極、電解質、隔膜、端板、引線和封裝材料等。根據以上實驗方法，我們可以獲得一些非常好的結果。直徑為4_的玻碳電極平面(面積為0. 126cm2)貼上納米多孔金以后的表面積可達I. 20cm2，為原來的10倍左右。此納米多孔結構提供了非常大的比表面積，因此可以聚合較多導電聚合物，使電極表面與電解質有充分的接觸，顯著提高電容性能。根據我們的實驗結果，最大比電容可以達到240F/g (此時聚合I圈，導電聚合物的質量為4. 57X10_6g)。通過此技方法所得的比電容可以達到甚至超過現有計算的理論比電容(見參考文獻I)。充放電電本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于納米多孔金屬導電聚合物的超級電容器材料，其特征是，包括多空金屬和聚合到金屬表面的噻吩系列導電聚合物。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：司鵬超，張洪杰，田相鑫，宋琳琳，孟繁慧，肖鑫鑫，
申請(專利權)人：山東大學，
類型：發明
國別省市：