[發明專利]膠體電極及其制備方法和超級電容電池

在審

• 申請號: 202111560679.6
• 申請日: 2021-12-20
• 公開（公告）號: CN114373639A
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 薛冬峰;陳昆峰;王曉明
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: H01G11/30
• 分類號: H01G11/30;H01G11/32;H01G11/86;H01M4/136;H01M4/1397;H01M4/62
• 代理公司: 深圳中一聯合知識產權代理有限公司 44414
• 代理人: 方良

本申請涉及儲能材料技術領域，尤其涉及一種膠體電極及其制備方法和超級電容電池。該膠體電極包括集流體和設于集流體表面的膠體材料層，膠體材料層包括過渡金屬鹽、導電碳材料和粘結劑；其中，導電碳材料之間形成有活性膠體離子。本申請的膠體電極中，過渡金屬鹽、導電碳材料和粘結劑形成一個三維導電骨架結構的膠體材料體系，具有快速的離子擴散通道，從而使得導電碳材料之間的活性膠體離子擴散快速，在熱力學、動力學允許條件下實現最大化利用氧化還原活性陽離子，因此可以充分利用過渡金屬鹽的多價態金屬陽離子的多電子氧化還原反應，充分釋放儲存的潛在電能；這樣的膠體電極可以形成兼具高功率密度與高能量密度的儲能器件如超級電容電池。

技術領域

本申請屬于儲能材料技術領域，尤其涉及一種膠體電極及其制備方法和超級電容電池。

背景技術

能源問題是人類長期面臨的主要挑戰之一，能源材料是當前最具決定性影響的技術領域之一，開發新型能源材料、設計和制備相關器件已成為重要研究方向。二次電池(Rechargeable battery)和超級電容器(Super capacitors)是目前常用的儲能器件；其中，二次電池(如鋰離子電池、鈉離子電池和金屬-空氣電池等)具有較高的能量密度、但功率密度較低的特點，而超級電容器具有較高的功率密度、但能量密度較低的特點。一般情況下，高能量密度和高功率密度對于儲能器件是矛盾的，如鋰電池能量密度高、但功率密度低，超級電容器正好相反；因此，兼具高功率密度與高能量密度的儲電技術是電化學儲能領域的終極目標。

超級電容器的全稱是電化學超級電容器，包括雙電層型和贗電容型。雙電層型超級電容器是利用電極/電解液界面電荷分離所形成的雙電層實現儲能，而贗電容型超級電容器借助電極表面快速的氧化還原反應所產生的法拉第“準電容”來實現能量儲存。贗電容型超級電容器普遍比雙電層型具有高的能量密度。

國內超級電容器的發展主要側重于對已有材料體系的改進以及器件研發，而國外主要側重于新材料體系開發與基于應用的器件開發。雖然目前這些設計能不同程度提高其性能，但依然不能完全釋放電極材料的儲電潛力。贗電容和電池型材料的電荷存儲機制主要是基于陽離子氧化還原化學，雖然這一機理已被人們熟知，但是陽離子的利用率仍然不足。這主要是因為目前的設計沒有從本質上改變電化學儲能反應的熱力學和動力學。

發明內容

本申請的目的在于提供一種膠體電極及其制備方法和超級電容電池，旨在解決的技術問題是如何提高電極材料陽離子利用率以形成兼具高功率密度與高能量密度的儲能器件。

為實現上述申請目的，本申請采用的技術方案如下：

第一方面，本申請提供一種膠體電極，包括集流體和設于所述集流體表面的膠體材料層，所述膠體材料層包括過渡金屬鹽、導電碳材料和粘結劑；其中，所述導電碳材料之間形成有活性膠體離子。

本申請提供一種膠體電極，其集流體表面設置的活性材料層是一種膠體材料層，該膠體材料層中的過渡金屬鹽、導電碳材料和粘結劑形成一個三維導電骨架結構的膠體材料體系，具有快速的離子擴散通道，從而使得導電碳材料之間的活性膠體離子擴散快速，在熱力學、動力學允許條件下實現最大化利用氧化還原活性陽離子，因此可以充分利用過渡金屬鹽的多價態金屬陽離子的多電子氧化還原反應，充分釋放儲存的潛在電能；這樣的膠體電極形成兼具高功率密度與高能量密度的儲能器件如超級電容電池，因此，具有很好的應用前景。

第二方面，本申請提供一種上述膠體電極的制備方法，包括如下步驟：

配制含有所述過渡金屬鹽、所述導電碳材料和所述粘結劑的電極料漿；

將所述電極漿料涂覆在所述集流體上，進行干燥處理，然后經充放電形成所述膠體材料層。