CN102354604A - 复合电极超级电容器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合电极超级电容器，包括隔膜、电解质，电解质处于隔膜的两侧，在电解质的外侧设有复合电极，复合电极由集电极、石墨烯层及二氧化钌层组成，石墨烯层覆盖在集电极的内侧表面上，二氧化钌层覆盖在石墨烯层的内侧表面上，二氧化钌层的内侧表面与电解质接触；在隔膜、电解质及复合电极的两端设有密封胶。本发明采用集电极、石墨烯层及二氧化钌层组成复合电极，该结构充分的利用了石墨烯比表面积大和二氧化钌比容量大的特点，同时结合了石墨烯和二氧化钌混合后的优点；由于采用在石墨烯表面涂覆湿凝胶得到无定形二氧化钌水合物，同时使得贵金属钌的使用得到有效的控制，减少了钌的使用量，节约了生产的成本。

Description

复合电极超级电容器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电容器及其制备方法，尤其是一种复合电极超级电容器及其制备方法。
背景技术
超级电容器又称电化学电容器或大容量电容器，是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，它利用电极/电解质交界面上的双电层或在电极界面上发生快速、可逆的氧化还原反应来储存能量。超级电容器存储的能量可达传统电容器的10倍以上，同时又具有比电池高出10到100倍的功率密度。它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器不仅在电动汽车上具有潜在的应用价值，而且它作为备用电源、独立电源在通信、工业等领域广泛应用，作为高脉冲电流发生器也将在航天航空、国防等方面发挥重要的作用。由于超级电容具有优异的特性，比传统的化学电池具有更加广阔的应用前景，世界各国都不遗余力地对超级电容进行开发和研究。超级电容器已经成为当前的研究热点之一。
超级电容器主要由电极、电解质和隔膜组成。其中电极包括电极活性材料和集电极两部分。集电极的作用是降低电极的内阻，要求它与电极接触面积大，接触电阻小，而且耐腐蚀性强，在电解质中性能稳定，不发生化学反应等。隔膜的作用是在防止两个电极物理接触的同时允许离子通过，通常使用的材料有玻璃纤维和聚丙烯膜等。
电极材料是决定超级电容器性能的关键因素。目前超级电容器使用的电极材料包括碳材料，金属氧化物材料和高分子聚合物。碳材料是人们普遍关注的优良材料，具有比表面积非常大，成本较低的优点。同时碳材料也存在有效比表面积小，单体工作电压低的缺点。高分子聚合物作为超级电容器电极材料的有循环寿命短等缺点，限制了超级电容器性能的提高。
二氧化钌（RuO2）是一种高能量密度的电极材料，具有高容量和低阻值的特点，被认为是具有广泛应用前景的材料。但是，钌资源紧缺，且价格昂贵，因此，提高钌的使用效率成为一个人们广泛关注的问题。
石墨烯是由碳原子在二维空间上紧密堆积成六边形晶格结构的一种新型材料。石墨烯是构成零位富勒烯，一维碳纳米管，三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元。石墨烯是一种没有能隙的物质，显示金属性；单层的石墨烯，每个碳原子都有一个未成键的电子，因此具有非常好的导电性。由于石墨烯优异的机械性能和物理性能，成为材料科学的研究热点之一。石墨烯具有非常大的比表面积和良好的导电性能是良好的超级电容器的电极材料。结合石墨烯和二氧化钌的优异特性研究一种性能优良的复合电极，成为了一个新的研究方向。
近年来，不同种类的电极材料混合后制得的复合电极，得到了广泛的研究。尤其是石墨烯和金属氧化物，石墨烯和高分子聚合物等按一定的比例混合后，制作的复合电极更是得到了广泛的关注。在研究的过程中发现石墨烯容易发生团簇现象，混合不均匀，不能充分利用石墨烯的优异的性能，导致该复合电极的性能没有明显的提高。
发明内容
本发明的目的是：提供一种复合电极超级电容器及其制备方法，它具有较高的功率密度和较高的能量密度，可循环使用，使用寿命长，制作成本较低，以克服现有技术的不足。
本发明是这样实现的：复合电极超级电容器，包括隔膜、电解质，电解质处于隔膜的两侧，在电解质的外侧设有复合电极，复合电极由集电极、石墨烯层及二氧化钌层组成，石墨烯层覆盖在集电极的内侧表面上，二氧化钌层覆盖在石墨烯层的内侧表面上，二氧化钌层的内侧表面与电解质接触；在隔膜、电解质及复合电极的两端设有密封胶。
隔膜为离子通透膜，其厚度为8～200μm。隔膜主要为聚丙烯膜多孔薄膜、玻璃纤维多孔薄膜或聚四氟乙烯多孔薄膜等中的一种。
石墨烯层为一层以上。石墨烯层可以是单层的石墨烯，也可以是多个单层组成的复合结构，或者是比表面较大的其他的碳的存在形式。厚度的选择视电极性能等具体情况和要求而定。
所述的电解质为酸性电解质，一般情况下采用硫酸溶液作用电解质。
复合电极超级电容器的制备方法，采用催化剂衬底作为集电极，先将催化剂衬底放置在无氧的反应器中并进行加热，再向反应器通入含碳的物质，在催化剂衬底表面形成石墨烯层；将有机钌盐分散于水或有机溶剂中，得到湿凝胶；在石墨烯层的表面沉积或涂覆该湿溶胶，通过热处理和干燥后，在石墨烯层的表面上形成二氧化钌层，获得复合电极；将复合电极与、隔膜、电解液与密封胶按图的封装起来，组成得到超级电容器。其中二氧化钌层的厚度视电解液的浸润厚度等实际情况而定。不同的情况下，二氧化钌层的厚度可以高于或者低于电解液的浸润厚度。
将催化剂衬底加热至500～1200℃，再向反应器通入含碳的物质。
所述的催化剂衬底为钽、铌、铜、镍、银或钌中的一种或几种的合金。沉积石墨烯层的催化剂衬底要求具有良好的导电性和化学性质稳定，因此以上这些金属材料都是可以选择的。
所述的含碳物质为一氧化碳、甲烷、乙烯、乙炔、乙醇、苯或甲苯中的一种或几种的组合。
所述的热处理时间为0.5～2小时，热处理温度为150～200℃;干燥温度80～120℃，时间8～12h。
由于采用了上述的技术方案，与现有技术相比，本发明采用集电极、石墨烯层及二氧化钌层组成复合电极，该结构充分的利用了石墨烯比表面积大和二氧化钌比容量大的特点，同时结合了石墨烯和二氧化钌混合后的优点；由于采用在石墨烯表面涂覆湿凝胶得到无定形二氧化钌水合物，既能使石墨烯和二氧化钌得到较好的复合，又避免了发生石墨烯团簇发生现象，同时使得贵金属钌的使用得到有效的控制，减少了钌的使用量，节约了生产的成本。本发明的方法简单，容易实现产业化生产，制作的成本较为低廉，而且所得到的产品具有较高的功率密度和较高的能量密度，可循环使用，使用寿命长，制作成本较低，具有广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
附图标记说明：
1-隔膜、2-电解质、3-复合电极、4-密封胶、5-集电极、6-石墨烯层、7-二氧化钌层7。
具体实施方式
本发明的实施例1：复合电极超级电容器的结构如图1所示，包括隔膜1、电解质2，采用聚丙烯膜多孔薄膜作为隔膜1，其厚度为100μm；采用硫酸溶液作为电解质2；电解质2处于隔膜1的两侧，在电解质2的外侧设有复合电极3，复合电极3由集电极5、石墨烯层6及二氧化钌层7组成，石墨烯层6覆盖在集电极5的内侧表面上，二氧化钌层7覆盖在石墨烯层6的内侧表面上，二氧化钌层7的内侧表面与电解质2接触；在隔膜1、电解质2及复合电极3的两端设有密封胶4；。
复合电极超级电容器的制备方法，采用钽作为催化剂衬底的材料，用催化剂衬底作为集电极5，先将催化剂衬底放置在无氧的反应器中并进行加热，将催化剂衬底加热至950℃，再向反应器通入甲烷气体（通气速度与所需要制备的石墨烯层6的厚度相关），使其在催化剂衬底表面形成石墨烯层6；取RuCl3·3H2O及柠檬酸，按照RuCl3·3H2O：柠檬酸为1:3的份量进行称取，将它们分别溶于无水乙醇中，在磁力搅拌器上将柠檬酸乙醇溶液以30滴/分的速度滴入RuCl3乙醇溶液中，使其充分反应，静置48小时后得到湿凝胶；在石墨烯层6的表面涂覆该湿溶胶，并控制涂覆的厚度为400μm，在100℃的干燥箱里干燥10h，然后在200℃下热处理1小时，在石墨烯层的表面上形成二氧化钌层，获得复合电极；将复合电极与、隔膜、电解液与密封胶按图的封装起来，组成得到超级电容器。
本发明的实施例2：复合电极超级电容器的结构如图1所示，包括隔膜1、电解质2，采用玻璃纤维多孔薄膜作为隔膜1，其厚度为8μm；采用盐酸溶液作为电解质2；电解质2处于隔膜1的两侧，在电解质2的外侧设有复合电极3，复合电极3由集电极5、石墨烯层6及二氧化钌层7组成，石墨烯层6覆盖在集电极5的内侧表面上，二氧化钌层7覆盖在石墨烯层6的内侧表面上，二氧化钌层7的内侧表面与电解质2接触；在隔膜1、电解质2及复合电极3的两端设有密封胶4； 
复合电极超级电容器的制备方法，采用铜镍合金作为催化剂衬底的材料，用催化剂衬底作为集电极5，先将催化剂衬底放置在无氧的反应器中并进行加热，将催化剂衬底加热至500℃，再向反应器通入一氧化碳气体（通气速度与所需要制备的石墨烯层6的厚度相关），使其在催化剂衬底表面形成石墨烯层6；使用二氧化钌靶材，采用磁控溅射的方法，在石墨烯层6的表面沉积一层二氧化钌层，并控制二氧化钌层的厚度为200μm；在80℃的干燥箱里干燥12h，然后在200℃下热处理1小时，在石墨烯层的表面上形成二氧化钌层，获得复合电极；将复合电极与、隔膜、电解液与密封胶按图的封装起来，组成得到超级电容器。
本发明的实施例3：复合电极超级电容器的结构如图1所示，包括隔膜1、电解质2，采用硝酸溶液作为电解质2，电解质2处于隔膜1的两侧，在电解质2的外侧设有复合电极3，复合电极3由集电极5、石墨烯层6及二氧化钌层7组成，石墨烯层6覆盖在集电极5的内侧表面上，二氧化钌层7覆盖在石墨烯层6的内侧表面上，二氧化钌层7的内侧表面与电解质2接触；在隔膜1、电解质2及复合电极3的两端设有密封胶4；隔膜1为离子通透膜，其厚度为200μm。
复合电极超级电容器的制备方法，采用钽作为催化剂衬底的材料，用催化剂衬底作为集电极5，先将催化剂衬底放置在无氧的反应器中并进行加热，将催化剂衬底加热至1200℃，再向反应器通入含甲苯气体（通气速度与所需要制备的石墨烯层6的厚度相关），使其在催化剂衬底表面形成石墨烯层6；使其在催化剂衬底表面形成石墨烯层6；在石墨烯层6的表面涂覆厚度为1000μm的Ru(OC2H5)3，并在120℃的干燥箱里干燥8h，然后在200℃下热处理1h，在石墨烯层的表面上形成二氧化钌层，获得复合电极；将复合电极与、隔膜、电解液与密封胶按图的封装起来，组成得到超级电容器。

Claims (9)

1.一种复合电极超级电容器，包括隔膜（1）、电解质（2），其特征在于：电解质（2）处于隔膜（1）的两侧，在电解质（2）的外侧设有复合电极（3），复合电极（3）由集电极（5）、石墨烯层（6）及二氧化钌层（7）组成，石墨烯层（6）覆盖在集电极（5）的内侧表面上，二氧化钌层（7）覆盖在石墨烯层（6）的内侧表面上，二氧化钌层（7）的内侧表面与电解质（2）接触；在隔膜（1）、电解质（2）及复合电极（3）的两端设有密封胶（4）。
2.根据权利要求1所述的复合电极超级电容器，其特征在于：隔膜（1）为离子通透膜，其厚度为8～200μm。
3.根据权利要求1所述的复合电极超级电容器，其特征在于：石墨烯层（6）为一层以上。
4.根据权利要求1所述的复合电极超级电容器，其特征在于：电解质（2）为酸性电解质。
5.一种复合电极超级电容器的制备方法，其特征在于：采用催化剂衬底作为集电极，先将催化剂衬底放置在无氧的反应器中并进行加热，再向反应器通入含碳的物质，在催化剂衬底表面形成石墨烯层；将有机钌盐分散于水或有机溶剂中，得到湿凝胶；在石墨烯层的表面沉积或涂覆该湿溶胶，通过热处理和干燥后，在石墨烯层的表面上形成二氧化钌层，获得复合电极；将复合电极与、隔膜、电解液与密封胶按图的封装起来，组成得到超级电容器。
6.根据权利要求5所述的复合电极超级电容器的制备方法，其特征在于：将催化剂衬底加热至500～1200℃，再向反应器通入含碳的物质。
7.根据权利要求5所述的复合电极超级电容器的制备方法，其特征在于：所述的催化剂衬底为钽、铌、铜、镍、银或钌中的一种或几种的合金。
8.根据权利要求5所述的复合电极超级电容器的制备方法，其特征在于：所述的含碳物质为一氧化碳、甲烷、乙烯、乙炔、乙醇、苯或甲苯中的一种或几种的组合。
9.根据权利要求5所述的复合电极超级电容器的制备方法，其特征在于：所述的热处理时间为0.5～2小时，热处理温度为150～200℃;干燥温度80～120℃，时间8～12h。
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