CN101661840A - 一种超级电容器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超级电容器的制备方法，它包括如下步骤：1)将泡沫镍基板放入化学气相沉积反应炉中，通入氩气10－60分钟，排尽炉内空气，然后，加热升温至450－750℃，在氩气氛围中以25－40ml/min的流量通入烃类气体，450－750℃下反应30秒至50分钟，反应完成后，得到生长有碳纳米管的泡沫镍；2)除去表面疏松层产物后，直接以生长有碳纳米管的泡沫镍基体直接用作超级电容器电极；3)将步骤2所得的两片厚度、大小相同的电极干燥，用电解液充分浸泡1－36小时，再用同样浸满电解液的隔膜隔开，组装得到超级电容器；所述烃类气体是乙炔、甲烷、乙烯、或丙烯。本发明碳纳米管是直接生长在泡沫镍基板上，无需使用粘合剂；泡沫镍为基板，电极物质体积密度更高，孔分布合理。

Description

一种超级电容器的制备方法
技术领域
本发明属于储能材料与装置的制备和制作领域，特别涉及一种超级电容器的制备方法。
背景技术
超级电容器是一种性能介于传统电容器和电池之间的一种新型储能装置，兼具电池高比能量和传统电容器高比功率的特点。超级电容器还具有如下的优点，如：1)能瞬时大电流充放电、2)循环寿命高、3)工作温度范围宽、4)安全、无污染等。超级电热器已被广泛用于计时器、闪光灯和电动玩具的主电源，以及作为电脑和手机的备用电源等。特别在正蓬勃发展的电动车上，将超级电容器与电池联合使用，能有效地降低电池的重量和设计成本，延长电池的使用寿命。超级电容器具有广阔的应用前景，并蕴含着巨大的经济效益，是一种理想的储能装置。
目前，常规制作超级电容器的电极主要是通过多孔碳材料与粘合剂和导电剂混合后，压制到集电极上制作成型的。该工艺从材料准备到电极制作，工序繁多，操作复杂，并且存在较大的接触电阻，进而影响超级电容器的功率特性和充放电效率。2004年在《Chemical PhysicsLetter》(2004年第388卷第170-174页)上公布了一种新的制作超级电容器电极的方法，即：使用热丝等离子体强化化学气相沉积法(Hot filament plasma enhanced chemical vapordeposition，HFPECVD)在镍箔上生长碳纳米管，然后直接用作超级电容器的电极。该方法具有简化电极制作工艺，以及降低接触电阻的优点，但同时也存在以下几个问题：1)HFPECVD设备复杂，能耗较高，不适合大规模生产；2)镍基板在反应前需经过等离子体前处理，工艺也比较复杂；3)以镍箔为基板，电极物质的体密度难以提高。
中国专利CN101290837A公开了一种超级电容器的多孔炭电极的制备方法，该方法中使用微孔沸石分子筛为模版，利用化学气相沉积在模版上沉积多孔炭，用HF酸溶解沸石得到多孔炭，最后将多孔炭和粘合剂混合后涂敷在泡沫镍片上而制成超级电容器的多孔炭电极。但是，该方法制备过程复杂，制得的多孔炭需要经过粘合剂涂敷才能附着在泡沫镍上；同时，该工艺还使用了HF酸，对容器要求高，并容易带来环境污染。
发明内容
本发明的目的就是要解决现有技术存在的制备工艺、设备复杂的不足，简化超级电容器的制备过程，节约能源，并防止环境污染；本发明碳纳米管是直接生长在泡沫镍基板上，无需使用粘合剂；同时，多孔泡沫镍为基板，电极物质体积密度更高，孔分布合理。
本发明的技术方案是：一种超级电容器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将泡沫镍基板放入化学气相沉积反应炉中，通入氩气10-60分钟，排尽炉内空气，然后，加热升温至450-750℃，在氩气氛围中以25-40ml/min的流量通入烃类气体，450-750℃下反应30秒至50分钟，反应完成后，关掉烃类气体，继续通氩气，直至冷却到室温，得到生长有碳纳米管的泡沫镍；
(2)除去表面疏松层产物后，直接以生长有碳纳米管的泡沫镍基体作超级电容器电极；
(3)将步骤(2)所得的两片厚度、大小相同的电极干燥，然后用电解液充分浸泡1-36小时，再用同样浸满电解液的隔膜隔开，组装得到超级电容器；
所述烃类气体是乙炔、甲烷、乙烯、或丙烯。
本发明具有下优点：(1)电极材料的制备与电极制作一步完成，大大简化了电极的制作过程；(2)泡沫镍基板具有“自生催化”作用，在碳纳米管生长过程中不需要在额外添加纳米催化剂颗粒，简化了CVD法制备碳纳米管时的基板前处理和后续纯化等步骤；(3)由于碳纳米管是直接生长在泡沫镍基板上，因此也无需使用粘合剂，并且大大降低了电极的内电阻，能够有效地提高超级电容器的充放电效率和功率特性；(4)相比于文献中的镍箔基板，以多孔泡沫镍为基板，电极物质体积密度更高，孔分布合理，具有更大的比电容值；(5)制备方法简便、设备简单，成本较低，适合批量生产。
附图说明
图1是实施例一所得泡沫镍上生长的碳纳米管的扫描电镜照片；
图2是实施例四所得泡沫镍上生长的碳纳米管的扫描电镜照片；
图3是生长有碳纳米管的泡沫镍电极(a)和常规压片电极(b)在0.25A/g电流密度下的恒流充放电的对比曲线；
图4是生长有碳纳米管的泡沫镍电极和常规压片电极在-0.9V直流偏压下的交流阻抗的对比曲线。
具体实施方式
1.电极制作：1)将泡沫镍基板放入化学气相沉积(Chemical vapor deposition，CVD)反应炉中，通入氩气10-60分钟以排尽炉内空气，加热升温至450-750℃，在氩气氛围中以25-40ml/min的流量通入烃类气体(包括：乙炔、甲烷、乙烯、丙烯等)反应30秒至50分钟，泡沫镍上生长出的黑色物质即为碳纳米管；2)除去表面疏松层产物后，直接以生长有碳纳米管的泡沫镍基体用作超级电容器电极。
2.电容器组装：将两片厚度与大小相同的电极干燥后在电解液中浸泡1-36小时，使气体排出并使溶液充分进入电极孔洞；浸泡完成后，两电极之间用同样浸满电解液的隔膜隔开，最后组装成超级电容器。
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步描述，该描述只是为了进一步说明本发明突出的特点和显著进步，而不是为了限制本发明。
实施例一：(1)将泡沫镍剪成10mm*10mm的长方形小片；(2)将其放在瓷舟上，再将热电偶探头和瓷舟放入CVD反应炉的合适区域；(3)通入氩气(Ar)，用来排除CVD反应炉中的空气并作为保护气氛，流量为200ml/min，通气40分钟，以保证将空气排尽；(4)将CVD反应炉升温至620℃，然后通入反应气体乙炔(C2H2)，流量控制为30ml/min，反应10分钟；(5)关掉乙炔闸门，继续通入氩气使其降至常温后，将生长有碳纳米管的泡沫镍取出；(6)将该泡沫镍直接用作超级电容器的电极，最后组装成超级电容器。所得泡沫镍上生长的碳纳米管放大8万倍的扫描电镜照片如图1所示。
实施例二：本实施例中将反应炉升温至550℃，然后通入反应气体乙炔(C2H2)，流量控制为40ml/min，反应1分钟；其他反应条件同实施例一。
实施例三：本实施例中将反应炉至650℃，然后通入反应气体乙炔(C2H2)，流量控制为25ml/min，反应15分钟；其他反应条件同实施例一。
实施例四：本实施例中将反应炉升温至600℃，然后通入反应气体乙炔(C2H2)，流量控制为30ml/min，其他反应条件同实施例一。所得泡沫镍上生长的碳纳米管放大1万倍的扫描电镜照片如图2所示。
实施例五：本实施例中将反应炉至700℃，然后通入反应气体乙炔(C2H2)，流量控制为35ml/min，反应25分钟；其他反应条件同实施例一。
从图3可以看出，生长有碳纳米管的泡沫镍电极的比电容量为24F/g，与常规压片电极相比，电极的比电容量提高了85％。
从图4可以看出，生长有碳纳米管的泡沫镍电极的特征频率为0.309Hz，相比于常规压片电极的0.174Hz有较大提高；而生长有碳纳米管的泡沫镍电极的等效串联电阻为0.84欧姆，与常规压片电极相比，电极的等效串联电阻降低了47％。

Claims (1)

1.一种超级电容器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将泡沫镍基板放入化学气相沉积反应炉中，通入氩气10-60分钟，排尽炉内空气，然后，加热升温至450-750℃，在氩气氛围中以25-40ml/min的流量通入烃类气体，450-750℃下反应30秒至50分钟，反应完成后，关掉烃类气体，继续通氩气，直至冷却到室温，得到生长有碳纳米管的泡沫镍；
(2)除去表面疏松层产物后，直接以生长有碳纳米管的泡沫镍基体作超级电容器电极；
(3)将步骤(2)所得的两片厚度、大小相同的电极干燥，然后用电解液充分浸泡1-36小时，再用同样浸满电解液的隔膜隔开，组装得到超级电容器；
所述烃类气体是乙炔、甲烷、乙烯、或丙烯。
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