[發明專利]堿式硝酸鈷/有序中孔炭復合電極材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201010604766.2
• 申請日: 2010-12-24
• 公開（公告）號: CN102543459A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 徐菁利;劉萍;劉雷;趙家昌;唐博合金;馮繼成;孫艷紅
• 申請（專利權）人: 上海工程技術大學
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042
• 代理公司: 上海金盛協力知識產權代理有限公司 31242
• 代理人: 羅大忱

技術領域

本發明涉及一種用于超級電容器復合電極材料的制備方法。

技術背景

能源是國民經濟發展的動力，也是衡量國家綜合國力、國家文明發達程度和生活水平的重要指標。伴隨人口的急劇增長和經濟的迅速發展，能源日漸短缺，環境日益受到重視，進行能源的開發和合理利用直接關系到人類社會的可持續發展，也是各國研究的重點。電能作為一種重要的能源在現代化生產和生活中扮演著極為重要的角色。儲能元件應用于生產生活的各個方面，對儲能元件的性能要求也越來越高。傳統電容器雖然可以提供非常大的功率，但其能量密度有限，不能滿足實際需要。同時隨著科技和社會的發展，許多場合(如電動汽車)對電源功率的要求越來越高，也遠遠超出了當今電池的承受能力。在此背景下一種新型的儲能元件-“超級電容器”得到了快速發展。

超級電容器(Supercapacitor)，也叫電化學電容器(Electrochemicalacitor)，是一種能量密度和功率密度介于傳統電容器和電池之間的新型儲能元件。它具有比傳統電容器更大的比電容、比蓄電池更大的功率密度、循環使用壽命長和使用溫度范圍寬等特點。超級電容器在20世紀六七十年代首先在美國出現，并在八十年代逐漸走向市場，由于在電動汽車上的潛在前景而引起關注，并隨著電動汽車的發展而迅速發展，成為國內外研究的熱點。自從1957(USP，2800616)Becker發表了一篇關于超級電容器的專利以來，超級電容器的發展不斷推陳出新。如今，超級電容器己被廣泛的應用于電路系統的記憶保護、便攜式電子設備以及低污染的混合型汽車的動力裝置中。它在混合電動汽車、移動電話、微機等眾多領域內有廣泛應用前景。

從1992年開始，美國能源部和美國先進電池協會就開始組織國家實驗室、大學和工業界(Maxwell，GE等)推出電動汽車用超級電容器的可行性研究計劃；2009年，美國“下一代”電池和電動車計劃：國家能源部資助24億美元，其中15億美元用于資助美國的電池及其配件制造，以提高電池的循環容量。2000年，德國制定了《可再生能源法》規定新能源占德國全部能源消費量的50％，德國電動汽車計劃在2020年，達到100萬輛電動汽車并成為電動汽車市場的領導者。1996年，歐盟開始超級電容器的研究計劃，目標是研制比能量6Wh/kg，8Wh/L，比功率1.5kW/kg，2kW/L，循環壽命超過10萬次的超級電容器。

電極材料是超級電容器核心組成部分，其結構、性能對超級電容器的性能有決定性的作用。電極材料分為四類：炭材料、金屬氧化物、高分子聚合物和復合材料。

炭材料(活性炭、碳納米管、碳納米線、碳凝膠、碳纖維等)是超級電容器常用的電極材料，根據雙電層理論，炭電極表面的雙電層電容約為20μFcm^-2，若比表面積為1000m²g^-1，則比電容為200F/g。

在各種炭材料中，中孔炭材料由于具有較大的孔徑適宜作為超級電容器的電極材料。其中有序中孔炭材料由于其特殊的孔道有序性有利于電解液離子在其中的嵌入和脫出而受到廣泛關注。以帶有孔隙結構的材料為模板，首先將碳前軀體注入到模板的孔道內，炭化后移除模板，一種反復制模板結構的多孔固體物質就得以保存下來，中孔硅分子篩則能夠對孔道結構和骨架同時進行控制，而且可以通過選擇具有不同孔道結構的硅分子篩制備具有各種孔道結構的中孔炭材料。制備有序中孔炭的炭源有蔗糖，苯酚，甲醛樹脂以及糠醇。

由于金屬氧化物及氫氧化物所產生的法拉第電容遠大于活性碳材料表面產生的雙電層電容，因此法拉第準電容器正逐步取代雙電層電容器成為研發的熱點。如RuO₂由于具有很高的比電容而受到普遍關注。盡管RuO₂比容量高達760F/g，在容量和導電性方面性能優良，但價格昂貴。又因為它們一般具有強烈的毒性，對環境污染嚴重，為此人們致力于尋找性能良好、價格低廉并且對環境無污染的電極材料來替代貴金屬材料。國內外的許多研究成果顯示：過渡金屬氧化物材料可以作為貴金屬氧化物電極材料的替代品。如Conway曾經指出，一些過渡金屬氧化物如MnO_x，NiO_x?and?CoO_x等也具有貴金屬氧化物的電化學性能，都成為較有希望替代釕的電極材料而被研究。