[發明專利]一種非對稱超級電容器及其制備方法

有效

• 申請號: 201910428110.0
• 申請日: 2019-05-22
• 公開（公告）號: CN110233054B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 羅勇鋒;張森;吳陳靈;周璀;吳維;王欣;鄧圓圓;李賢軍;吳義強;陳道勇
• 申請（專利權）人: 中南林業科技大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/34;H01G11/44;H01G11/46;H01G11/36;H01G11/38;H01G11/86
• 代理公司: 北京成實知識產權代理有限公司 11724
• 代理人: 朱明福

一種非對稱超級電容器，包括正極和負極，正極由碳化后的片狀杉木片經過活化處理和電化學沉積得到；活化處理在碳化后的片狀杉木片內形成有從上到下整齊順直的管胞結構；電化學沉積在活化后的片狀杉木片的管胞結構內生長出二氧化錳納米片；負極由碳化后的片狀杉木片經過活化處理和化學氣相沉積得到；經過所述活化處理在碳化后的片狀杉木片內形成有從上到下整齊順直的管胞結構。本發明的超級電容器在在10,000次充電/放電循環后仍可保留93％的電容。本發明的獨特結構顯著提高了其能量密度和循環穩定性。ACNT能提供有效的高比表面積、低離子擴散阻力和優異的電化學性能。二氧化錳的上載進一步增加了超級電容器的比電容和能量密度。

技術領域

本發明涉及一種超級電容器的電極材料，尤其涉及一種由碳化杉木片制作而成的非對稱超級電容器及其制備方法。

背景技術

生物質材料因其來源廣泛，且具有環境友好性、綠色可持續性和獨特的定向結構而在儲能領域中具有廣闊的應用前景。在碳化和活化生物質材料后，可以從中獲得具有2000-3000m²·g^-1高比表面積的粉末狀生物質碳材料，該材料可以有效地提高比電容。然而，用粉末狀活性碳材料制備電極需要粘合劑和導電劑。而粘合劑會增加電荷的傳輸電阻，這將影響電化學性能的進一步改善。最近，將整片碳化木材作為電極材料引起了人們的極大關注。因為由整片碳化木材構成的電極材料保持了其取向的通道結構，因此不需要使用粘合劑和導電劑。然而，如上所述，整片的生物質碳材料不能被完全活化，因此其比表面積受限且比電容低。而過度活化會破壞電極材料的結構，導致其機械性能下降。為了進一步提高電容器的比電容，研究人員在木材管胞中填充了二氧化錳、氫氧化鈷、聚吡咯等活性物質，以獲得更高的容量。復合材料組分之間的協同效應可以提高超級電容器的綜合性能。

超級電容器具有高功率密度，而增加電位窗口是提高其能量密度的方法之一。將超級電容器的電位增加到1.0V以上的有效方法是構建非對稱型超級電容器，它是由在同一電解質中具有不同電位窗的兩種電極材料組成。通常，雙電層電容器的電極通過電解液離子在活性材料表面的快速可逆吸附/解吸來儲存電荷。負極通常采用高比表面積、孔徑分布良好的多孔生物質碳材料，主要提供合適的功率密度。另一個電極是通過贗電容材料作為正極，由電極表面的電解質與電活性材料之間的可逆氧化還原法拉第反應產生。而過渡金屬氧化物、導電聚合物及其復合材料是很好的候選者，因為它們能為電池提供高能量密度。最近已經研究出各種非對稱超級電容器系統，并具有高達2.0V的寬電位，例如activatedcarbon(AC)//MnO₂，carbon nanotubes//MnO₂，graphene//MnO₂，AC//V₂O₅，AC//Ni(OH)₂等。

在本申請發明人申請的其他專利，例如專利號2019102562576的專利中對采用碳化杉木片制作而成的超級電容器有相關介紹。在專利號為2019102562576的專利中，在AWC薄片上形成碳納米管的時候，對時間的控制非常嚴格，不同的化學氣相沉積會在AWC管胞結構中形成不同的碳納米管，例如化學氣相沉積的時間為7min的時候，在AWC管胞結構中會形成取向碳納米管，而取向碳納米管的疏水性的，及時進行親水性處理，其也達不到在乙酸錳和硫酸鈉溶液中進行電化學沉積的要求，也就是在取向碳納米管的表面沉積二氧化錳的難度比較高，即使沉積了二氧化錳，其質量也比較差。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種具有高能量密度并且具有優異的倍率性能的非對稱超級電容器及其制備方法。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：一種非對稱超級電容器，包括正極和負極，所述正極由碳化后的片狀杉木片經過活化處理和電化學沉積得到；所述活化處理在碳化后的片狀杉木片內形成有從上到下整齊順直的管胞結構；所述電化學沉積在活化后的片狀杉木片的管胞結構內生長出二氧化錳納米片；