[發(fā)明專利]一種基于碳納米管陣列的超級(jí)電容器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210042882.9
• 申請(qǐng)日: 2012-02-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103295797B
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-11-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 江鵬;王中林;王兵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 國(guó)家納米科學(xué)中心
• 主分類號(hào): H01G11/12
• 分類號(hào): H01G11/12;H01G11/56;H01G11/84
• 代理公司: 北京泛華偉業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于碳納米管陣列的超級(jí)電容器。

背景技術(shù)

超級(jí)電容器是一類介于傳統(tǒng)靜電電容器與蓄電池之間的新型電子元器件，它具有極大的比電容、高的比功率、長(zhǎng)的循環(huán)使用壽命，并可應(yīng)用于電動(dòng)車輛、微波、激光武器以及電焊機(jī)、充磁機(jī)、閃光燈等各種需要連續(xù)穩(wěn)定提供電能的裝置。

如圖1所示，超級(jí)電容器由一對(duì)理想極化電極組成，即在所施加的電位范圍內(nèi)并不產(chǎn)生法拉第反應(yīng)，所有聚集的電荷均用來(lái)在界面上建立雙電層。當(dāng)在兩個(gè)電極上施加電場(chǎng)后，電子是通過(guò)外加電源從正極流向負(fù)極，同時(shí)溶液中的陰陽(yáng)離子分別向正、負(fù)電極遷移，在電極表面形成雙電層，能量便以電荷或濃縮的電子形式存儲(chǔ)在電極材料的表面；撤消電場(chǎng)后，電極上的正負(fù)電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)定，在正負(fù)極間產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的電位差。這時(shí)對(duì)某一電極而言，會(huì)在一定距離內(nèi)產(chǎn)生與電極上的電荷等量的異性離子電荷，使其保持電中性；放電時(shí)，電極上的電荷通過(guò)負(fù)載從負(fù)極移至正極，陰陽(yáng)離子遷移到溶液中成電中性，這便是超級(jí)電容器的充放電原理。

超級(jí)電容器的正常工作狀態(tài)(通常為3v以下)，如電容器兩端電壓超過(guò)電解液的氧化還原電位時(shí)，電解液將分解為非正常狀態(tài)。隨著超級(jí)電容器放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電極/溶液界面上的電荷相應(yīng)減少。由此可以看出這種充放電過(guò)程沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，因此性能穩(wěn)定，循環(huán)壽命長(zhǎng)。雙電層電容器的電極材料主要由具有高比表面積的碳材料組成，例如碳納米管，與傳統(tǒng)的碳材料相比，碳納米管具有奇異的物理化學(xué)性能，在復(fù)合材料增強(qiáng)、納米器件、場(chǎng)發(fā)射、催化劑等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。由于它具有獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)，管徑大小可調(diào)，良好的導(dǎo)電性，大的比表面積，適合電解質(zhì)離子遷移的孔隙，良好的頻率響應(yīng)特性，以及由納米管相互卷繞和納米管腔，共同形成的特殊中孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因?yàn)楸徽J(rèn)為是超級(jí)電容器尤其是高功率的超級(jí)電容器理想的電極材料。

目前，超級(jí)電容器一般采用有機(jī)電解液。一般來(lái)說(shuō)，有機(jī)電解液的分解電壓高，通常可達(dá)到3V左右。對(duì)于有機(jī)電解液的研究，一方面是對(duì)有機(jī)溶劑的電解質(zhì)鹽的開(kāi)發(fā)和選用；另一方面是對(duì)有機(jī)溶劑的物理、化學(xué)性能進(jìn)行研究，并通過(guò)對(duì)不同有機(jī)溶劑的組合來(lái)優(yōu)化其在電容器應(yīng)用中的性能。目前，超級(jí)電容器中常用的電解質(zhì)陽(yáng)離子主要是季銨鹽(R4N⁺)，如Me₄N⁺，Et₄N⁺，Bu₄N⁺，Me₃EtN⁺等。此外，Li⁺和R₄P⁺也有報(bào)道，而陰離子有ClO^4-，BF^4-，BF^6-，AsF^6-等，常用的溶劑有γ-丁內(nèi)酯(BL)，碳酸丙烯酯(PC)，碳酸乙二酯(EC)，N-二甲基甲酰胺(DMF)等。典型的有機(jī)混合電容器如Amatucci報(bào)道的Li₄Ti₅O₁₂/AC混合電容器。Li₄Ti₅O₁₂是一種具有反尖晶石結(jié)構(gòu)的鋰離子嵌入式負(fù)極材料，其特點(diǎn)是伴隨鋰離子的嵌入/脫出體積變化幾乎為零。

有機(jī)電解液分解電壓較高，有利于獲得更高的能量密度；工作的溫度范圍較寬，具有較高的電化學(xué)穩(wěn)定性；耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。但有機(jī)電解液的電阻大，成本高、易燃、對(duì)裝配工藝的要求高，需要在十分干燥的情況下進(jìn)行電容器組裝。而在實(shí)驗(yàn)室情況下，多數(shù)是在充滿氬氣的干燥手套箱中進(jìn)行操作，條件較苛刻。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的超級(jí)電容器中有機(jī)電解液的電阻大、成本高、易燃、對(duì)裝配工藝要求高的缺點(diǎn)，提供一種超級(jí)電容器。

本發(fā)明提供一種基于碳納米管陣列的超級(jí)電容器，包括：

下電極，其上具有多條碳納米管；

上電極，其上具有多條碳納米管；

固態(tài)電解質(zhì)，由1-正丁基-3-甲基咪唑氯化物的水溶液經(jīng)纖維素固化而成；

其中下電極的具有碳納米管的一側(cè)與上電極的具有碳納米管的一側(cè)相對(duì)，下電極與上電極之間充滿固態(tài)電解質(zhì)，上電極上的碳納米管與下電極上的碳納米管均被包裹在固態(tài)電解質(zhì)中。

根據(jù)本發(fā)明提供的超級(jí)電容器，其中下電極和上電極由導(dǎo)電材料薄膜構(gòu)成。

根據(jù)本發(fā)明提供的超級(jí)電容器，其中碳納米管的長(zhǎng)度方向垂直于上電極和下電極。