[發(fā)明專(zhuān)利]一種非對(duì)稱(chēng)型電化學(xué)電容器及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210584441.1
• 申請(qǐng)日: 2012-12-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103050291A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 俞書(shū)宏;陳立鋒;黃志紅
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01G11/30
• 分類(lèi)號(hào): H01G11/30;H01G11/86
• 代理公司: 北京維澳專(zhuān)利代理有限公司 11252
• 代理人: 王立民

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電化學(xué)電容器領(lǐng)域，特別涉及一種非對(duì)稱(chēng)型電化學(xué)電容器及其制備方法。

背景技術(shù)

電化學(xué)電容器又稱(chēng)為超級(jí)電容器，為一種介于電容器和電池之間的新型儲(chǔ)能器件。與傳統(tǒng)的電容器相比，電化學(xué)電容器具有更高的比容量，與電池相比，具有更高的比功率，可瞬間釋放大電流，具有充電時(shí)間短，充電效率高，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，無(wú)記憶效應(yīng)和基本免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。因此電化學(xué)電容器在移動(dòng)通訊、消費(fèi)電子、電動(dòng)交通工具及航空航天等領(lǐng)域具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

目前電化學(xué)電容器的電極材料主要分為三類(lèi)：金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物和雜化材料。其中，具有價(jià)廉、環(huán)境友好及高的理論電容值等優(yōu)點(diǎn)的MnO₂在提高電容器的能量密度方面有很好的前景，因此引起了人們很大的關(guān)注。然而MnO₂較差的導(dǎo)電性（10^-5～10^-6S/cm）使其在高功率設(shè)備中充放電速率較低。為了提高其導(dǎo)電性，人們利用了碳材料（如：泡沫碳、碳納米管及石墨烯）和納米MnO₂進(jìn)行復(fù)合，但是碳和MnO₂的復(fù)合材料只有在水溶液電解質(zhì)中才表現(xiàn)出理想的電容性質(zhì)，而水溶液中電容器的窗口電位比有機(jī)電解質(zhì)的小很多，這大大限制了能量密度的提高。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員利用非對(duì)稱(chēng)型電極材料構(gòu)造電化學(xué)電容器，即正負(fù)極由不同的電極材料構(gòu)成的電容器可通用兩種材料互不重疊的窗口電勢(shì)獲得較高的工作電壓，從而增大其能量密度。獲得高能量密度和功率密度的非對(duì)稱(chēng)型電化學(xué)電容器的關(guān)鍵問(wèn)題是得到合適的法拉第電極材料（特別是含碳的納米材料）用作正極，得到合適的負(fù)極材料（通常采用碳材料）。含碳非對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器出色的前景非常誘人，但是現(xiàn)在的相關(guān)電極材料的合成制備方法相當(dāng)耗時(shí)、耗錢(qián)、污染環(huán)境，這些方法的缺陷大大限制了非對(duì)稱(chēng)型電化學(xué)電容器的實(shí)際應(yīng)用。因此，迫切需要尋求價(jià)廉且環(huán)保的電極材料，并采用簡(jiǎn)易、環(huán)保的方法來(lái)制備具有高能量密度和功率密度的電極材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供了一種廉價(jià)易得的非對(duì)稱(chēng)型電化學(xué)電容器，及其制備方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明首先提出了一種非對(duì)稱(chēng)型電化學(xué)電容器，其包括：

正極、負(fù)極、電解液、隔膜及集電器，所述正極的材料為p-BCMnO₂，所述負(fù)極的材料為p-BC/N，其中p-BC為熱解后的細(xì)菌纖維素。

優(yōu)選地，所述電解液為Na₂SO₄溶液，所述隔膜為醋酸纖維素膜，所述集電器為鎳片。

本發(fā)明進(jìn)一步提出了制備上述非對(duì)稱(chēng)型電化學(xué)電容器的方法，其包括以下步驟：

步驟a）制備正極材料：將熱解后的細(xì)菌纖維素置于KMnO₄和K₂SO₄的混合溶液中振蕩反應(yīng)一段時(shí)間，得到正極材料p-BCMnO₂；

步驟b）制備負(fù)極材料：將熱解后的細(xì)菌纖維素置于尿素溶液中恒溫反應(yīng)一段時(shí)間，得到負(fù)極材料p-BC/N；

步驟c）組裝正極和負(fù)極：正極材料p-BCMnO₂和負(fù)極材料p-BC/N中間用隔膜隔開(kāi)，注入電解液，并在正負(fù)極材料外側(cè)加上集電器，即得到非對(duì)稱(chēng)型電化學(xué)電容器。

優(yōu)選地，所述步驟a）和所述步驟b）中熱解后的細(xì)菌纖維素的制備過(guò)程具體為：

將細(xì)菌纖維素用液氮冷凍后在冷凍干燥機(jī)中凍干，再在惰性氣氛下熱解。

更優(yōu)選地，所述冷凍時(shí)間為1h～2h，所述凍干時(shí)間為3d～6d，凍干壓力為0.02mbar～0.06mbar，熱解溫度為800℃～1200℃，熱解時(shí)間為1h～3h。

優(yōu)選地，所述步驟a）混合溶液中的KMnO₄和K₂SO₄的物質(zhì)的量的比為0.8～1.2:0.8～1.2，KMnO₄的濃度為0.05mol/L～0.5mol/L，熱解后的細(xì)菌纖維素與混合溶液的質(zhì)量體積比為1～15:20～50，其中熱解后的細(xì)菌纖維素質(zhì)量的單位為mg，混合溶液體積的單位為ml。

優(yōu)選地，所述步驟a）中振蕩反應(yīng)時(shí)間為0.5h～2.5h，溫度為20℃～60℃，轉(zhuǎn)速為50rpm～300rpm。

優(yōu)選地，所述步驟b）中尿素溶液的濃度為3mol/L～6mol/L，熱解后的細(xì)菌纖維素與尿素溶液的質(zhì)量體積比為1～20:10～80，其中熱解后的細(xì)菌纖維素的質(zhì)量的單位為mg，尿素溶液體積的單位為ml。