[發明專利]用于交流線路濾波領域的碳納米洋蔥薄膜基超級電容器

有效

• 申請號: 202010169600.6
• 申請日: 2020-03-12
• 公開（公告）號: CN113394027B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 張晨光;杜浩哲
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/36
• 代理公司: 天津創智天誠知識產權代理事務所(普通合伙) 12214
• 代理人: 李蕊

本發明公開了一種用于交流線路濾波領域的碳納米洋蔥薄膜基超級電容器，通過采用化學氣相沉積法在鎳片表面合成互連結構的碳納米洋蔥薄膜的電極材料，并分別利用水系或有機系兩種電解質組裝碳納米洋蔥薄膜基超級電容器用于交流線路濾波。該碳納米洋蔥薄膜基超級電容器可以利用碳納米洋蔥高曲率的優勢，并充分發揮其優異的頻率響應性能和高倍率性能。而且擁有高的體積比容量、體積能量密度與良好的工作穩定性。

技術領域

本發明屬于濾波電容器、超級電容器及碳納米材料制備技術領域，具體來說涉及一種用于交流線路濾波領域的碳納米洋蔥薄膜基超級電容器。

背景技術

電力系統依靠發電廠產生的交流電傳輸，并通過整流和交流線路濾波設備使交流電轉換成可以供家庭用電設備使用的直流電來維持設備的運行。交流線路濾波器在將交流電轉化為直流電過程中的核心器件。該器件負責將整流后頻率為2倍輸入頻率(中國和歐洲等地輸入頻率為50Hz，美國等地輸入頻率為60Hz)的脈沖型電流轉化成穩定的直流電信號。目前，主要用于交流線路濾波的設備是電解電容器，其中以鋁電解電容器應用最為廣泛。

鋁電解電容器擁有十分優異的交流濾波性能，然而依舊存在很多應用問題制約著交流線路濾波電容器的發展。鋁電解電容器比容量過低，需要增大鋁電解電容器的電極面積以達到穩定工作的電容量。因此制備中通常將電極卷成圓筒以達到電容要求，造成了鋁電解電容器體積過大，體積比容量與能量密度過低，使其成為用電器電路中最大的電子元件。這一點嚴重限制了濾波電容器微型集成化的發展以及小型化或便攜式電子器件中的發展。因此，提高體積比容量與體積能量密度成為發展交流線路濾波電容器的關鍵所在，也是目前制備濾波電容器面臨的技術挑戰。

超級電容器以擁有快速充放電能力及高的功率密度，體積比容量比鋁電解電容器高兩個數量級，因此超級電容器可以解決目前濾波器解決體積過大的問題，有望作為新一代交流線路濾波器應用于小型化電子器件。目前，超級電容器主要用比容量高的活性炭作為電極材料，然而，其豐富的內孔結構及曲折的孔內路徑限制了電解質離子的快速吸脫附與擴散，在120Hz的相位角幾乎為0°，RC時間常數為1s，使超級電容器無法達到交流線路濾波器的性能要求。因此需要開發一種導電性好且孔結構和電極表面利于電解質離子快速吸脫附與擴散的碳基電極材料結構。

垂直石墨烯與碳納米管陣列結構作為電極材料使超級電容器擁有優異頻率響應性能和擴散性能，具備交流線路濾波性能(Science,2010,329(5999):1637-1639.和Nanoletters,2012,13(1):72-78.)。然而，這些垂直結構縱向高度較高，降低了體積比容量與體積能量密度，其制備過程復雜且成本較高，不適于大規模的電極材料制備。碳納米管薄膜與多孔石墨烯薄膜也被報道用于交流線路濾波電容器的制備，然而兩者無法避免電解質溶液與集流體的接觸，降低了電容器的穩定性。另外，石墨烯與碳納米管的倍率性能并不理想，在涉及到高頻及大功率要求的交流濾波應用方面，并不能滿足更高的工作條件要求。因此目前急需發展一種新型結構的碳材料及基于此的超級電容器，使其擁有快速的頻率響應能力，高的倍率性能，高的體積比容量、高的體積能量密度、并且電極材料易于實現成本較低的大規模制備。

發明內容

本發明針對亟待解決的鋁電解電容器體積比電容過低、體積過大的問題，以及目前碳材料超級電容器中存在的體積比容量低、體積能量密度低、倍率性能差和制備工藝復雜成本高等問題，本發明的目的是提供一種用于交流線路濾波領域的碳納米洋蔥薄膜基超級電容器，其在120Hz下具有接近于90°的相位角，極低的RC時間常數與弛豫時間常數，高的倍率性能，且具備高的體積比容量與體積能量密度，并可將不同頻率的交流電信號濾為穩定的直流電信號，可應用于新一代小體積的濾波電容器。另外，其具有快速的離子吸脫附性能與可觀的電荷存儲性能，基于此的碳納米洋蔥薄膜基超級電容器具有優異的頻率響應性能、高的倍率性能、高的體積比電容、高體積能量密度及優良的電化學循環穩定性。