[發(fā)明專利]一種不對稱超級電容器及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111093800.9
• 申請日: 2021-09-17
• 公開（公告）號: CN113921294B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 江奇;陳兵;盧曉英
• 申請（專利權(quán)）人: 西南交通大學
• 主分類號: H01G11/46
• 分類號: H01G11/46;H01G11/58;H01G11/86
• 代理公司: 成都玖和知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 51238
• 代理人: 胡琳梅

本發(fā)明屬于電化學領(lǐng)域，具體是一種不對稱超級電容器及其制備方法，一種不對稱超級電容器，包括正極極片、負極極片和電解液，所述電解液介于所述正極極片和負極極片之間的隔膜，所述正極極片的活性材料為δ?MnO₂，所述負極極片的活性材料為WO₃和rGO的復(fù)合材料，本發(fā)明以δ?MnO₂為正極，WG?16為負極，組裝不對稱超級電容器MnO₂//WG?16。測試結(jié)果顯示，器件能穩(wěn)定在2.1V工作，MnO₂//WG?16能量密度最高達到42.88Wh·kg^?1，功率密度最高達到10511W·kg^?1。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學領(lǐng)域，具體是一種不對稱超級電容器及其制備方法。

背景技術(shù)

目前，可充電電池和超級電容器作為兩類常見的電能儲能器件，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活中。超級電容器，又名電化學電容器(ECs)，是一類具有高功率密度、高安全性和長使用壽命的電能儲能器件，在許多領(lǐng)域發(fā)揮著作用。然而，受限于自身能量密度低,ECs的適用范圍并不廣泛，因此，想要促進ECs的發(fā)展，同時不犧牲其功率密度，是目前ECs領(lǐng)域的一個研究重點。

不對稱超級電容器(ASCs)的出現(xiàn)，為解決ECs能量密度低這一問題提供了可行的途徑。ASCs是由兩種不同的材料組裝而成的一種ECs，它可以利用兩種材料具有的不同電勢區(qū)間，組合后可以突破電解液分解電壓的限制。即使是使用水系電解液，器件的工作電壓也可以達到高于1V，從而大幅度提高器件的能量密度。而想要真正設(shè)計并實現(xiàn)高能量密度的ASCs，其關(guān)鍵在于尋找高容量且具有寬工作電勢區(qū)間的電極材料。

ASCs在能量密度上具有明顯的優(yōu)勢，所以近年來ASCs研究發(fā)展十分迅速，涌現(xiàn)出眾多研究成果，如Nayak A K等(Nayak A K,Das A K,Pradhan D.High PerformanceSolid-State Asymmetric Supercapacitor using Green Synthesized Graphene–WO3Nanowires Nanocomposite[J].ACS Sustainable ChemistryEngineering,2017,5(11):10128-10138.)使用WO₃/rGO正極、AC為負極組裝的全固態(tài)ASC，器件工作電壓可達到2V，獲得了26.7Wh·kg^-1的能量密度。Sahoo R等(Sahoo R,Pham D T,Lee T H,etal.Redox-Driven Route for Widening Voltage Window in AsymmetricSupercapacitor[J].ACS Nano,2018,12(8):8494-8505.)研究的rGO@Mn₃O₄//rGO@VO₂水系A(chǔ)SC的工作電壓高達2.2V，得到了42.7Wh·kg^-1和1.1kW·kg^-1的能量密度和功率密度。Gu等(Gu Y,Fan L-Q,Huang J-L,et al.N-doped reduced graphene oxide decorated NiSe₂nanoparticles for high-performance asymmetric supercapacitors[J].Journal ofPower Sources,2019,425:60-68.)報道了一種NiSe₂/rGO的高性能電極材料，與AC匹配組裝的ASC工作電壓達到1.6V，能量密度達到40.5Wh·kg^-1的同時還具有841.5Wh·kg^-1的功率密度。Yang等(Yang Z M,Vinodh R,Balakrishnan B,et al.Rational design ofasymmetric aqueous supercapacitor based on NAXMnO2 and N-doped reducedgraphene oxide[J].Journal of Energy Storage,2020,28:101293.)制備的Na⁺摻雜MnO₂，比電容達到了288F·g^-1，與氮摻雜的rGO匹配組裝了ASC，器件的工作電壓為2V，得到了52.7Wh·kg^-1的高能量密度。Asaithambi S等(Asaithambi S,Sakthivel P,Karuppaiah M,et al.Preparation of Fe-SnO₂@CeO₂ nanocomposite electrode for asymmetricsupercapacitor device performance analysis[J].Journal of Energy Storage,2021,36:102402.)制備了高性能的正極材料Fe-SnO₂@CeO₂，以AC為負極組裝了工作電壓為1.5V的對稱ASC，能量密度和功率密度最大分別達到32.2Wh·kg^-1和7390W·kg^-1。總結(jié)現(xiàn)有研究成果，我們發(fā)現(xiàn)，有關(guān)ASCs的研究主要集中在正極材料。尤其是過渡族金屬氧化物，依靠自身所具有的諸多優(yōu)良性能，長久以來受到極大的關(guān)注。不過，完整的ASCs還需要負極材料的配合。然而，在很多的研究中，負極材料的研究被忽視了。研究者常常以碳材料作為負極，因為碳材料十分容易獲取，具有電勢窗口寬、性質(zhì)穩(wěn)定和導(dǎo)電性優(yōu)良的等優(yōu)點，是理想的負極材料選擇。但是，碳材料比電容較低、不適合匹配高性能的正極，所以可以看到許多以碳材料作為負極的器件并未取得高能量密度。