[發明專利]一種介孔四氧化三鈷作正極的混合電化學電容器

有效

• 申請號: 201010609925.8
• 申請日: 2010-12-24
• 公開（公告）號: CN102568833A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 朱婷婷;徐媛媛;高歌;張玲燕;胡中華;劉亞菲
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01G9/02
• 分類號: H01G9/02;H01G9/042;H01G9/145
• 代理公司: 上?？剖⒅R產權代理有限公司 31225
• 代理人: 林君如

技術領域

本發明涉及電化學電容器領域，尤其是涉及一種介孔四氧化三鈷作正極的混合電化學電容器。

背景技術

社會經濟的發展與人口密度的膨脹導致石油等不可再生資源的銳減及生態環境的惡化，人類的可持續發展岌岌可危。其中，能源問題，包括節能和擴大新能源開發，是緩解現有危機、保證可持續發展的關鍵性問題。傳統能源已不再能滿足社會的可持續發展，人們對能源的要求也越來越多樣化與綠色化，同時也要求新的儲能設備具有更高的能量密度和功率密度，來替代或者輔助當前使用的電池及傳統的電容器。此外，全球燃油汽車消費量不斷增加，其排放的NO_x和CO_x對環境造成嚴重污染，從而導致地球溫室效應。開發更加清潔、環保的電動汽車也促使了全球對新型儲能設備的研制。

電化學電容器，也叫超級電容器，是介于傳統電容器和二次電池之間的一種新型綠色儲能器件，其比能量高于傳統電容器，比功率高于二次電池，循環壽命長，可作為電源、輔助電源或備用電源應用于日常消費電子、電動汽車、電力設備、軍事及航空航天等領域。

電化學電容器按照儲能機理可分為雙電層電容器、法拉第贗電容器及混合電容器三類。雙電層電容器主要通過電極/電解液界面形成雙電層儲能，法拉第贗電容器則是通過材料表面及體相內部發生氧化還原反應產生贗電容儲能。目前商業化的電容器主要為有機電解液體系的碳基雙電層電容器，工作電壓可達2.7V，能量密度在5Wh/kg左右。但商用電容器的主要缺點在于有機溶劑的使用，溫度升高會改變工作條件，且有機溶劑會對熱耗散產生不利影響，可能導致嚴重后果(如溶劑蒸發、著火，超級電容器爆炸等)。另外，使用純質子惰性溶劑要求無水條件，這會導致電解液和整個制造過程成本大幅增加，且其能量密度還無法滿足電動汽車的要求。水合RuO₂等貴金屬氧化物作為法拉第型贗電容器的電極材料，在硫酸電解液中具有較高的比電容，但其價格昂貴，只能應用于軍事、航空航天等特殊領域。近年來，人們開始尋找其他相對廉價的金屬氧化物，如MnO₂、NiO和CoO_x等。Co₃O₄由于具有高達3560F/g的理論比電容，在電容器及鋰離子電池領域得到廣泛研究。另外，材料的比表面積和孔結構對其電化學性質有重要影響，2～50nm的介孔有利于電化學反應的發生，而3～4nm的介孔則可以進一步提高材料比表面積的利用率。混合電化學電容器則結合了前兩類電容器的優點，在水系條件下即可提高工作電壓，從而提高能量密度。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種能量密度大幅提高、制備工藝簡單的介孔四氧化三鈷作正極的混合電化學電容器。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種介孔四氧化三鈷作正極的混合電化學電容器，由正極片、負極片、介于兩者之間的隔膜及KOH電解液組成，其特征在于，所述的電容器的正極片中的活性物質為Co₃O₄，負極片中的活性物質為活性炭，隔膜為聚丙烯薄膜，電解液濃度為6mol/L。

所述的正極片由活性物質Co₃O₄、導電石墨和質量分數為60％的聚四氟乙烯乳液按重量比8∶1∶1組成的混合物與泡沫鎳集流體壓制而成。

所述的Co₃O₄為介孔尖晶石型材料，孔徑分布于2～40nm，比表面積在15～77m²/g。

所述的Co₃O₄是以二價鈷鹽Co(NO₃)₂·6H₂O和尿素為原料，按1∶4的摩爾比，在100～180℃下水熱反應8～24h得到堿式碳酸鈷前驅體，抽濾、洗滌、干燥后將前驅體于空氣中250～550℃熱處理煅燒得到。

所述的熱處理溫度優選350℃。

所述的Co₃O₄在制備時還添加聚乙二醇-6000(PEG-6000)作為分散劑，聚乙二醇-6000與二價鈷鹽Co(NO₃)₂·6H₂O的重量比為1∶8。

所述的活性炭的比表面積為924.8m²/g，平均孔徑為2.08nm。