[發(fā)明專利]一種聚吡咯/導(dǎo)電碳布復(fù)合電極的制備方法及其應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810111574.4
• 申請日: 2018-02-05
• 公開（公告）號: CN108447696B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 肖婷;王書琳;譚新玉;向鵬;姜禮華
• 申請（專利權(quán)）人: 三峽大學(xué)
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/38;H01G11/48;H01G11/86
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務(wù)所 42103
• 代理人: 成鋼

本發(fā)明公開了一種聚吡咯/導(dǎo)電碳布復(fù)合電極的制備方法及在超級電容器上的應(yīng)用。采用恒電位法，以含有吡咯單體和高氯酸鈉（NaClO₄）的溶液為電解液，在碳布表面沉積聚吡咯薄膜，該薄膜呈現(xiàn)片狀結(jié)構(gòu)。在1 M KOH電解液中，?1~0V電位窗口范圍內(nèi)對聚吡咯/碳布進(jìn)行電化學(xué)性能評價，并與空白碳布和以泡沫鎳為基底承載的聚吡咯(聚吡咯/Ni)進(jìn)行了性能比較，空白碳布和聚吡咯/Ni復(fù)合電極的最大面積比電容為2.29 F/cm²，循環(huán)1000次后容量保持率為69.56%，聚吡咯/Ni最大容量僅僅只有0.064F/cm²；而聚吡咯與碳布復(fù)合后最大比電容可以達(dá)到3.18 F/cm²，循環(huán)1000次后，容量保持率高達(dá)96.35%，明顯優(yōu)于空白碳布和聚吡咯/Ni。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超級電容器領(lǐng)域，具體涉及一種利用聚吡咯和碳布協(xié)同作用的電極材料的制備及其超級電容器應(yīng)用。

背景技術(shù)

超級電容器是一種介于常規(guī)電容器與二次電池之間的新型儲能器件，同時兼有常規(guī)電容器功率密度大和二次電池能量密度高的優(yōu)點。此外，超級電容器還具有對環(huán)境無污染、效率高、循環(huán)壽命長、使用溫度范圍寬、安全性高等特點。超級電容器在新能源發(fā)電、電動汽車、信息技術(shù)、航空航天、國防科技等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。

當(dāng)前，國內(nèi)外已實現(xiàn)了超級電容器的商品化生產(chǎn)，但還存在著價格較高、能量密度低等問題，極大地限制了超級電容器的大規(guī)模應(yīng)用。如何在保持較高功率密度的前提下，提高超級電容器的能量密度，是國內(nèi)外研究的熱點，也是發(fā)展新一代超級電容器的趨勢。根據(jù)能量密度的計算公式E＝0.5CV²，超級電容器的能量密度可以通過比電容和工作電壓兩個方面來改善。從比電容的角度看，可以選用具有高比電容的電極材料，如贗電容型電極材料。從工作電壓的角度看，可通過選擇合適的正極和負(fù)極材料，構(gòu)建水系非對稱超級電容器來拓寬整個電容器的工作電壓。水系非對稱超級電容器一般是由兩種不同的材料組成，其中正極通常為贗電容電極材料，如過渡金屬氧化物/氫氧化物，負(fù)極通常為電雙層型電極材料，即碳材料。對于非對稱超級電容器，總?cè)萘緾(1/C＝1/C_正+1/C_負(fù))受限于容量值較低的電極，通常為碳負(fù)極材料，因此，開發(fā)具有高容量的負(fù)極材料，對于提高水系超級電容器的能量密度至關(guān)重要。

近年來，商業(yè)導(dǎo)電碳布憑借其優(yōu)異的導(dǎo)電性、良好的柔韌性、較寬的電位窗口等特點被廣泛應(yīng)用于柔性電極的設(shè)計上，不僅可以作為其他電極材料的柔性集流體，而且還可以直接作為柔性電極，特別是用作超級電容器負(fù)極。然而，受碳材料理論比容量較低的限制，導(dǎo)電碳布直接作為柔性電極的容量通常低于20F/g，限制了超級電容器的整體能量密度。另一方面，導(dǎo)電聚合物由于其長程共軛結(jié)構(gòu)及良好的物化性能，在超級電容器電極材料領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。其中，PPy具有制備方法簡單、環(huán)境友好、電導(dǎo)率較高、空氣穩(wěn)定性較好、比電容高等優(yōu)點，尤其受關(guān)注。然而，PPy直接用作活性電極材料時，由于體積膨脹/收縮和離子通道坍塌，在水系電解液中的循環(huán)穩(wěn)定性能通常較差。

發(fā)明內(nèi)容

基于以上現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的是將導(dǎo)電碳布的優(yōu)勢和PPy的優(yōu)勢結(jié)合起來，利用兩者的協(xié)同作用獲得高性能PPy/導(dǎo)電碳布復(fù)合電極材料。具體來說，利用PPy優(yōu)異的導(dǎo)電性以及在負(fù)電位區(qū)間的儲能能力提升導(dǎo)電碳布的容量和循環(huán)穩(wěn)定性；另一方面，導(dǎo)電碳布特殊的柔韌性能有效緩解PPy充放電過程中體積膨脹/收縮導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)粉化。同時，通過ClO₄^-離子摻雜使陰離子固定在PPy分子鏈中，避免因陰離子離開PPy骨架進(jìn)入電解液造成陰離子通道坍塌，再加上PPy的多孔結(jié)構(gòu)加速電解液離子的傳輸，進(jìn)一步避免充放電時離子脫/嵌造成結(jié)構(gòu)坍塌。

本發(fā)明的技術(shù)方法包括以下步驟：

(1)導(dǎo)電碳布的預(yù)處理：將碳布放置在3％-10％的稀鹽酸中超聲清洗6～10min，再用乙醇和去離子水反復(fù)沖洗后烘干。