[發明專利]一種基于碳布/鎵氧氮化物的工作電極和超級電容器

有效

• 申請號: 202011176451.2
• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112309723B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 蓋利剛;劉利彬;王家鈺;李學林;班青
• 申請（專利權）人: 齊魯工業大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/40;H01G11/86
• 代理公司: 濟南竹森知識產權代理事務所(普通合伙) 37270
• 代理人: 呂利敏

本發明屬于電化學儲能技術領域，涉及一種電化學工作電極和超級電容器及其制備方法，工作電極由碳布/鎵氧氮化物制得；所述碳布/鎵氧氮化物為，鎵氧氮化物納米粒子負載于碳布纖維之上；鎵氧氮化物納米粒子的尺寸為10?70nm。超級電容器，由碳布/鎵氧氮化物工作電極、隔膜、電解液和外封裝組成。本發明所提供的碳布/鎵氧氮化物工作電極和對稱式水系超級電容器，具有較高的面積比容量、出色的倍率性能和電化學循環穩定性。

技術領域

本發明屬于電化學儲能技術領域，涉及一種電化學工作電極和超級電容器及其制備方法，尤其涉及一種基于碳布/鎵氧氮化物的工作電極和超級電容器及其制備方法。

背景技術

超級電容器是通過電極與電解質之間形成的界面雙層電容來存儲能量的元器件。超級電容器由電極片、電解液、隔膜和外封裝組成。當電極與電解液接觸時，由于庫侖力、分子間力、原子間力及離子間力的作用，在固液界面出現穩定和符號相反的雙層電荷，稱其為界面雙層電荷。加在正極板上的電勢吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，從而在兩電極的表面形成了一個雙電層電容器。

根據電極材料的不同，超級電容器可以分為碳電極雙層超級電容器、金屬氧化物電極超級電容器、金屬氮化物電極超級電容器和有機聚合物電極超級電容器等；根據電解液的不同，超級電容器可以分為有機系和水系超級電容器；根據兩電極電極材料的儲能性質不同，超級電容器可以分為對稱式和非對稱式(又稱為混合式)超級電容器。

超級電容器是介于傳統電解電容器和電池之間的一種電化學儲能器件。相比于電解電容器，超級電容器具有更高的比容量；相比于電池，超級電容器具有更高的功率密度和倍率性能，但能量密度相對較低。

近來，科研工作者發現，氮化鎵用于超級電容器電極材料時，表現出優異的倍率性能，但缺點是，氮化鎵的比容量相對較低(Adv.Mater.2016,28,3768-3776)。

將氮化鎵中的部分氮原子用氧原子取代，可以獲得一種新型半導體材料，即鎵氧氮化物。鎵氧氮化物雖為半導體材料，但其導電性不高，這會影響基于鎵氧氮化物的超級電容器的倍率性能。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種基于碳布/鎵氧氮化物的工作電極和超級電容器及其制備方法，該種工作電極和超級電容器具有出色的比容量和倍率性能。

一種工作電極，其特征在于，由碳布/鎵氧氮化物制得。優選的，所述碳布/鎵氧氮化物為，鎵氧氮化物納米粒子負載于碳布纖維之上；鎵氧氮化物納米粒子的尺寸為10-70nm，優選的，鎵氧氮化物納米粒子的尺寸為10-25nm。參見圖7-圖12。

本發明還提供碳布/鎵氧氮化物工作電極的用途，用于組裝對稱式水系超級電容器。

一種超級電容器，由碳布/鎵氧氮化物工作電極、隔膜、電解液和外封裝組成。優選的，所述隔膜為磺化高分子纖維膜；所述電解液為硫酸、硫酸鋰或硫酸鈉水溶液。

優選的，隔膜為深圳格邦GBH5512磺化隔膜；優選的，電解液為1mol L^-1硫酸。

所述超級電容器的放電比容量60-152mF cm^-2。100mA cm^-2電流密度下的放電比容量相對于1mA cm^-2下的放電比容量，容量保持率為41-46％。

所述超級電容器為對稱式水系超級電容器。

所述超級電容器的制備方法，將碳布/鎵氧氮化物矩形條裁成電極片，制得工作電極；以H₂SO₄溶液為電解液，將隔膜裁剪成圓片，組裝扣式超級電容器器件。