CN100416722C - 由沉积镍氧化物的活性炭构成的超级电容器正极材料及制备方法 - Google Patents

由沉积镍氧化物的活性炭构成的超级电容器正极材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

由沉积镍氧化物的活性炭构成的超级电容器正极材料及制备方法，它涉及沉积镍氧化物的活性炭构成的电化学电容器正极活性材料和它的制备工艺。本发明的正极材料由活性炭和沉积在活性炭上的镍氧化物组成，沉积在活性炭上的镍氧化物的沉积量为1.0～14.0mg/g。本发明的方法用分析天平称取3g活性炭，放入烧杯中，用事先配好的Ni(NO3)2浓度为0.2mol/L的修饰液30ml超声浸渍3小时，将得到的滤饼分散到过量的、浓度为1.0mol/L的NaOH溶液中，超声浸渍4小时；过滤、清洗炭粉，直至滤液pH值达到8，将过滤后的炭材料烘干，烘干温度为125℃，时间为20小时，称取200mg改性活性炭材料，称取25mg石墨导电剂，充分混合均匀。本发明具有方法简单易行，产品质量可靠，工作电压明显提高的优点。

Description

由沉积镍氧化物的活性炭构成的超级电容器正极材料及制备方法
技术领域
本发明涉及在活性炭上沉积镍氧化物作为电化学超级电容器正极活性材料的制备工艺。
背景技术
电化学超级电容器的电容主要由两方面构成，以电极/溶液界面上的双层为基础的双层电容和以界面二维法拉第反应为基础的准电容。前者依赖具有高比表面积的电极材料，如活性炭，后者则依赖某些过渡金属氧化物，如RuO2、NiOx。以活性炭为电极材料的电化学电容器的优点是比电容较高、材料易得、成本低廉，且技术比较成熟；缺点是工作电压较低，最大为1V，且能量密度较低。以RuO2为电极材料的电化学电容器的优点是具有比活性炭高得多的比电容，但由于价格极其昂贵，限制了其未来可能的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种由沉积镍氧化物的活性炭构成的超级电容器正极材料及制备方法，它具有方法简单易行，产品质量可靠，电容器输出能量明显提高的特点。本发明由活性炭和沉积在活性炭上的镍氧化物组成，沉积在活性炭上的镍氧化物的沉积量为1.0～14.0mg/g。本发明的方法是由以下步骤实现的：用分析天平称取3g活性炭，放入烧杯中，用事先配好的Ni(NO3)2浓度为0.2mol/L的修饰液30ml超声浸渍3小时，然后将材料通过抽滤方式过滤。将得到的滤饼分散到过量的、浓度为1.0mol/L的NaOH溶液中，超声浸渍4小时。过滤、清洗炭粉，直至滤液pH值达到8。将过滤后的炭材料烘干，烘干温度为125℃，时间为20小时。得到的修饰后的活性炭材料。采用原子吸收方法测得该炭材料中镍含量为13.6mg/g。称取200mg改性活性炭材料，称取25mg石墨导电剂，通过机械振荡的方式充分混合均匀。依次加入7ml蒸馏水、5.5mgCMC水溶液、9mgPTFE乳液。一边加入，一边通过机械搅拌使其均匀，最后调成粘性膏状物。将上述和好的膏采用手工(或机械方式)涂入事先裁好并焊接上极耳的集流体中，集流体的尺、于为20×30mm2，要求涂膏均匀，不得出现薄厚不一或残存气孔的情况。将涂膏完毕的极片在110℃温度下真空干燥8小时。在压延机(或油压机)上将烘干后的极片压实，经修掉边缘的毛刺后得到成品正极。本发明的方法由以下步骤实现：(A)在活性炭上沉积镍氧化物；将活性炭浸渍在浓度为0.1～2.0mol/L的Ni(NO3)2溶液中，活性炭与Ni(NO3)2溶液的重量体积比为1∶5～10，浸渍时间为3～4小时，浸渍期间用超声波对浸渍液进行振荡，然后将浸渍液滤除掉，将得到的滤饼分散到过量的浓度为1.0～2.0mol/L的NaOH或KOH溶液中，浸渍3～5小时，同时用超声波振荡，然后过滤，清洗炭粉至滤液的PH值为8时清洗结束，将炭材料在125℃温度下真空干燥20小时，得到沉积量为1.0～14.0mg/g镍氧化物的改性活性炭材料；(B)电极制备；按下述成份混合成膏：改性活性炭材料80wt％、导电石墨10wt％、羧甲基纤维素(CMC)2.5wt％、聚四氟乙烯乳液(PTFE)4.5wt％、蒸馏水3wt％；将称取好的改性活性炭材料与导电石墨通过机械振荡的方式充分混合均匀，依次加入蒸馏水、CMC水溶液、PTFE乳液，一边加入一边通过机械搅拌使其均匀；集流体采用发泡金属镍或金属镍网，电极极耳采用金属镍箔，极耳和集流体采用点焊方式焊接；将上述和好的膏涂入事先裁好并焊接极耳的集流体中，要求涂膏均匀，避免出现薄厚不一或残存气孔的情况，可采用手工或机械方式涂膏，将涂膏完毕的极片在110℃条件下真空干燥，干燥时间为8～10小时，然后在压延机或油压机上将烘干后的极片压实，经修掉边缘的毛刺后得到成品电极；(C)电极活化；活化电流对于电极的表面积控制范围在0.1～10mA/cm2，充放电电位在-0.5～0.35V范围之间，活化过程重复三个循环，充电终止电位为0.35V。采用普通活性炭制备的电化学超级电容器正极，在6mol/l KOH溶液作为电解液时，活化后析氧电位一般在0.184V，与同种普通活性炭负极组成电容器时，工作电压通常不超过1V。而采用本发明改性活性炭材料制备的电极，在沉积不同量镍氧化物的情况下，析氧电位均有明显提高，可提高到0.220～0.290V。如果与普通活性炭负极组成电容器，工作电压将超过1V，可提高0.036～0.106V，提高幅度3.6～10.6％。由于E＝0.5CV2，由此导致的电容器输出能量将会明显提高。活化过程对于提高电极的析氧电位具有重要的作用。沉积镍氧化物的活性炭材料，活化前析氧电位仅为0.043V。经过3周期的活化后，析氧电位超过0.22V，最高可达到0.295V。同样对于普通活性炭组成的电极，活化前析氧电位为0.184V，活化后达到0.22V。该结果表明，电容器装配密封前，应该有一个电极活化过程。如果没有该过程，电容器的工作电压和能量输出就会打折扣。上述涉及的电极电位均相对于电解液为6mol/L KOH的Hgo/Hg参比电极的电位。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式由活性炭和沉积在活性炭上的镍氧化物组成，沉积在活性炭上的镍氧化物的沉积量为1.0～14.0mg/g。
具体实施方式二：本实施方式沉积在活性炭上的镍氧化物的沉积量为1.0～3.0mg/g。
具体实施方式三：本实施方式沉积在活性炭上的镍氧化物的沉积量为3.1～7.0mg/g。
具体实施方式四：本实施方式沉积在活性炭上的镍氧化物的沉积量为7.1～10.0mg/g。
具体实施方式五：本实施方式是由以下步骤实现的：(A)在活性炭上沉积镍氧化物；将活性炭浸渍在浓度为0.1～2.0mol/L的Ni(NO3)2溶液中，活性炭与Ni(NO3)2溶液的重量体积比为1∶5～10，浸渍时间为3～4小时，浸渍期间用超声波对浸渍液进行振荡，然后将浸渍液滤除掉，将得到的滤饼分散到过量的浓度为1.0～2.0mol/L的NaOH或KOH溶液中，浸渍3～5小时，同时用超声波振荡，然后过滤，清洗炭粉至滤液的PH值为8时清洗结束，将炭材料在125℃温度下真空干燥20小时，得到沉积量为1.0～14.0mg/g镍氧化物的改性活性炭材料；(B)电极制备；按下述成份混合成膏：改性活性炭材料80wt％、导电石墨10wt％、羧甲基纤维素(CMC)2.5wt％、聚四氟乙烯乳液(PTFE)4.5wt％、蒸馏水3wt％；将称取好的改性活性炭材料与导电石墨通过机械振荡的方式充分混合均匀，依次加入蒸馏水、CMC水溶液、PTFE乳液，一边加入一边通过机械搅拌使其均匀；集流体采用发泡金属镍或金属镍网，电极极耳采用金属镍箔，极耳和集流体采用点焊方式焊接；将上述和好的膏涂入事先裁好并焊接极耳的集流体中，要求涂膏均匀，避免出现薄厚不一或残存气孔的情况，可采用手工或机械方式涂膏，将涂膏完毕的极片在110℃条件下真空干燥，干燥时间为8～10小时，然后在压延机或油压机上将烘干后的极片压实，经修掉边缘的毛刺后得到成品电极；(C)电极活化；活化电流对于电极的表面积控制范围在0.1～10mA/cm2，充放电电位在-0.5～0.35V范围之间，活化过程重复三个循环，充电终止电位为0.35V。
具体实施方式六：本实施方式是由以下步骤实现的：用分析天平称取3g活性炭，放入烧杯中，用事先配好的Ni(NO3)2浓度为0.2mol/L的修饰液30ml超声浸渍3小时，然后将材料通过抽滤方式过滤。将得到的滤饼分散到过量的、浓度为1.0mol/L的NaOH溶液中，超声浸渍4小时。过滤、清洗炭粉，直至滤液pH值达到8。将过滤后的炭材料烘干，烘干温度为125℃，时间为20小时。得到的修饰后的活性炭材料。采用原子吸收方法测得该炭材料中镍含量为13.6mg/g。称取200mg改性活性炭材料，称取25mg石墨导电剂，通过机械振荡的方式充分混合均匀。依次加入7ml蒸馏水、5.5mgCMC水溶液、9mgPTFE乳液。一边加入，一边通过机械搅拌使其均匀，最后调成粘性膏状物。将上述和好的膏采用手工(或机械方式)涂入事先裁好并焊接上极耳的集流体中，集流体的尺寸为20×30mm2，要求涂膏均匀，不得出现薄厚不一或残存气孔的情况。将涂膏完毕的极片在110℃温度下真空干燥8小时。在压延机(或油压机)上将烘干后的极片压实，经修掉边缘的毛刺后得到成品正极。

Claims (5)

1. 由沉积镍氧化物的活性炭构成的超级电容器正极材料，其特征在于它由活性炭和沉积在活性炭上的镍氧化物组成，沉积在活性炭上的镍氧化物的沉积量为1.0～14.0mg/g。
2. 根据权利要求1所述的由沉积镍氧化物的活性炭构成的超级电容器正极材料，其特征在于沉积在活性炭上的镍氧化物的沉积量为1.0～3.0mg/g。
3. 根据权利要求1所述的由沉积镍氧化物的活性炭构成的超级电容器正极材料，其特征在于沉积在活性炭上的镍氧化物的沉积量为3.1～7.0mg/g。
4. 根据权利要求1所述的由沉积镍氧化物的活性炭构成的超级电容器正极材料，其特征在于沉积在活性炭上的镍氧化物的沉积量为7.1～10.0mg/g。
5. 由沉积镍氧化物的活性炭构成的超级电容器正极材料的制备方法，其特征在于它是由以下步骤实现的：用分析天平称取3g活性炭，放入烧杯中，用事先配好的Ni(NO3)2浓度为0.2mol/L的修饰液30ml超声浸渍3小时，然后将材料通过抽滤方式过滤；将得到的滤饼分散到过量的、浓度为1.0mol/L的NaOH溶液中，超声浸渍4小时；过滤、清洗炭粉，直至滤液pH值达到8，将过滤后的炭材料烘干，烘干温度为125℃，时间为20小时，得到的修饰后的活性炭材料，采用原子吸收方法测得该炭材料中镍含量为13.6mg/g，称取200mg改性活性炭材料，称取25mg石墨导电剂，通过机械振荡的方式充分混合均匀，依次加入7ml蒸馏水、5.5mgCMC水溶液、9mgPTFE乳液，一边加入，一边通过机械搅拌使其均匀，最后调成粘性膏状物，将上述和好的膏采用手工或机械方式涂入事先裁好并焊接上极耳的集流体中，集流体的尺寸为20×30mm2，要求涂膏均匀，不得出现薄厚不一或残存气孔的情况，将涂膏完毕的极片在110℃温度下真空干燥8小时，在压延机上将烘干后的极片压实，经修掉边缘的毛刺后得到成品正极。
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