[發明專利]對稱雜化超級電容器及其應用

有效

• 申請號: 202010193025.3
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN113496823B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 毛智勇;王瀟;陳靜靜;王達健;趙寧;李鑫;王欣欣;劉澤化;王英琦
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: H01G11/32
• 分類號: H01G11/32;H01G11/46;H01G11/62;H01G11/86;H01G11/84
• 代理公司: 天津賽凌知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 12270
• 代理人: 李蕊

本發明公開了一種對稱雜化超級電容器及其應用，該對稱雜化超級電容器的正極和負極的電極材料均是碳材料與中間價態過渡金屬化合物的復合材料，對稱雜化超級電容器的電解液為堿性電解液。本發明提供的對稱雜化超級電容器的兩個電極同時含有具有雙電層特征的碳材料和具有贗電容特性的中間價態過渡金屬化合物，可有效提高器件的比容量；此外，中間價態過渡金屬化合物使得對稱雜化超級電容器的單電極在正極區域和負極區域的電壓窗口都能工作，大幅拓寬了對稱雜化超級電容器的工作電壓窗口，從而提高器件的能量密度。所公開的對稱雜化超級電容器集成了雙電層電容、贗電容和雜化電容的工作模式，具有大的工作電壓窗口和比容量、高的功率密度和能量密度。

技術領域

本發明屬于電容器技術領域，具體來說涉及一種對稱雜化超級電容器及其應用。

背景技術

隨著全球能源危機和環境污染問題的日益嚴峻挑戰以及便攜式電子設備需求的不斷增長，高性能儲能系統引起了人們的廣泛關注。在不同的儲能系統中，超級電容器因其在高功率密度、長循環壽命、快速充放電和安全性等方面的突出優勢而被公認為是一種有吸引力的儲能系統。超級電容器雖然具有大的功率密度，但其比容量和能量密度與電池儲能系統相比還存在很大差距。目前，超級電容器中廣泛應用的電極材料是包括富勒烯、碳納米管、石墨烯、碳納米纖維、碳氣凝膠和多孔碳等在內的碳材料，它們都是基于電化學雙電層電容(EDLC)的工作機理。但是，由于碳材料比表面積和孔徑分布的限制，基于碳材料的超級電容器比容量難以滿足實際需求。此外，受水分解理論電壓的限制(1.23V)，水系超級電容器的工作電壓窗口一般比較小。金屬化合物由于與電解質的氧化還原反應而表現出優異贗電容特性，相比碳材料而言具有更高的理論比容量。因此，目前解決超級電容器能量密度低這一問題的主流技術就是開發非對稱雜化超級電容器，即將雙電層電容器的一個碳材料電極置換為具有贗電容儲能特征的電極，這樣充分利用兩個電極的電位窗口來拓寬器件整體的工作電壓窗口，集成了碳材料的雙電層電容和金屬化合物的贗電容，大幅提高了超級電容器的能量密度。比如：專利(ZL?201611218764.3)公開了一種正極為硫化鈷，負極為碳材料的非對稱超級電容器，具有寬的電勢窗口，可提高器件的功率密度和能量密度；專利(ZL?201611062095.5)公開了一種以MnO₂/Mn復合材料作為正極，以碳納米管作為負極的非對稱電容器，具有良好的循環穩定性能和倍率性能。但是，這種非對稱雜化超級電容器的負極一般采用的是比容量有限的碳材料。為了匹配金屬化合物電極的高贗電容，需要提高碳材料電極的負載量，則會降低器件的能量密度；即便如此，由于碳材料比表面積和孔徑分布限制，當提高碳材料電極負載量也不能匹配金屬化合物電極的高贗電容時，會導致整個器件的載荷受限。因此，開發設計具有大電壓窗口、高容量、高功率密度和能量密度的雜化電容器是科研和工程人員努力的方向。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種對稱雜化超級電容器，該對稱雜化超級電容器以碳材料與中間價態過渡金屬化合物的復合材料同時作為正極和負極的電極材料，采用的電解液是堿性電解液。將對稱雜化超級電容器的正極和負極各作為一個單電極，單電極在正極區域和負極區域的電壓窗口都能工作，集成了雙電層電容、贗電容和雜化電容工作模式，可大幅提高器件的電壓窗口、比容量、功率密度和能量密度。

本發明的目的是通過下述技術方案予以實現的。

一種對稱雜化超級電容器，該對稱雜化超級電容器的正極和負極的電極材料均是碳材料與中間價態過渡金屬化合物的復合材料，所述對稱雜化超級電容器的電解液為堿性電解液。

在上述技術方案中，所述碳材料與中間價態過渡金屬化合物的復合材料中中間價態過渡金屬化合物的質量占比為5-60wt％，優選為10-30wt％。

在上述技術方案中，所述中間價態過渡金屬化合物為中間價態過渡金屬的氧化物和/或氫氧化物，過渡金屬為Mn、Fe、Co和Ni中的一種或幾種。