CN102810402B - 一种电解电容器电极片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电容器电极领域，其公开了一种电解电容器电极片及其制备方法；该电解电容器电极片结构为铝/三氧化二铝/石墨烯-导电高分子。本发明提供的电解电容器电极片，用石墨烯取代传统的导电高分子电解质材料，使其具有优良的稳定性和一致性；且该电极片制备工艺简单、成本低廉、适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种电极片，尤其涉及一种固体型电解电容器电极片以及制备方法。
背景技术
固体电容器主要分为二氧化锰、TCNQ等有机小分子和PEDOT等有机高分子固体电容器。在电解电容中，传统的铝电解电容由是以电解液作为介电材料，这种电容器摆脱不了因为物理特性而受热膨胀，出现漏液的危险现象，让铝电解电容器面临著前所未有的压力和挑战；另外，传统铝电解电容采用二氧化锰作为阴极材料，除了由于电压问题容易出现燃烧的危险之外，更因为环保问题使得未来市场大幅受限。
有机半导体TCNQ是一种氰化物，在高温时容易挥发出剧毒的氰气，因此，也就限制了TCNQ应用。高分子产品PEDOT作为阴极材料的固体电容器，其生产成本高，也就限制了PEDOT的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种安全性能好、无毒，且生产成本低的电解电容器电极片，该电极片主要用于固体型电解电容器。
本发明的技术方案如下：
一种电解电容器电极片，其结构为铝/三氧化二铝/石墨烯-导电高分子，该电解电容器电极片的电导率为110000～150000s/m；其中，导电高分子包括苯胺单体、3，4-乙撑二氧噻吩单体或吡咯单体。
本发明的另一目的在于提供电解电容器电极片的制备方法，其步骤如下：
S1、将氧化石墨烯溶于水溶液中，随后往水溶液中加入导电高分子(如，导电高分子包括苯胺单体、3，4-乙撑二氧噻吩单体或吡咯单体)，制得电解液；其中，电解液中，氧化石墨烯的摩尔浓度为1～3mol/L；
S2、将铝箔或铝网作为电极插入步骤S1制得的电解液中，并在电极上通以1～10mA的直流电流，通电时间为1～24h，得到铝/氧化石墨烯-导电高分子电极片；
S3、将步骤S2制得的铝/氧化石墨烯-导电高分子电极片置于真空氛围中、80～300℃下烘烤2～24h，制得铝/石墨烯-导电高分子电极片；
S4、采用阳极氧化法，在步骤S3得到的铝/石墨烯-导电高分子电极片上通过直流电压，通电时间为0.5～2h后，铝氧化得到三氧化二铝，制得结构为铝/三氧化二铝/石墨烯-导电高分子的所述电解电容器电极片；其中，所述直流电压的电压值为固体电解电容器额定电压值的135～200％，即三氧化二铝的厚度大约每伏形成的电压为1.2～1.5nm。
上述制备方法中，步骤S1中，所述氧化石墨采用下述步骤制得：
S11、将质量比2∶1∶1的石墨粉、过硫酸钾、五氧化二磷加入浓硫酸中，搅拌，随后冷却、过滤，并洗涤滤物至中性，干燥，备用；
S12、将步骤S11干燥后的滤物加入0℃的浓硫酸中，随后加入高锰酸钾，搅拌；接着依次加入去离子水和质量浓度为30％的双氧水溶液，搅拌混合为混合溶液；其中，高锰酸钾的质量为石墨粉质量的3倍；
S13、过滤步骤S12的混合溶液，并用质量浓度为10％的盐酸洗涤、抽滤、干燥滤物，最后得到氧化石墨烯。
本发明提供的电解电容器电极片，用石墨烯取代传统的导电高分子电解质材料，石墨烯和导电高分的符合结合了石墨烯材料的高导电性能和导电高分子的柔性和自愈性能，两者复合，可以很好的提高产品的稳定性和一致性；且该电极片制备工艺简单、成本低廉、适合工业化生产。
附图说明
图1为本发明铝/三氧化二铝/石墨烯-导电高分子电极片的SEM图；其中，扫面电镜型号：FESEM，HitachiS-4300；加速电压：10-15KV；
图2为本发明铝/三氧化二铝/石墨烯-导电高分子电极片的截面SEM图；其中，扫面电镜型号：FESEM，HitachiS-4300；加速电压：10-15KV；
图3为本发明铝/三氧化二铝/石墨烯-导电高分子电极片的制备工艺流程图。
具体实施方式
本发明提供的一种电解电容器电极片，如图1和2所示，其结构为铝/三氧化二铝/石墨烯-导电高分子，该电解电容器电极片的电导率为110000～150000s/m；其中，导电高分子包括苯胺单体、3，4-乙撑二氧噻吩单体或吡咯单体。
本发明提供的上述电解电容器电极片的制备方法，其步骤如下：
S1、将氧化石墨烯溶于水溶液中，随后往水溶液中加入导电高分子(如，导电高分子包括苯胺单体、3，4-乙撑二氧噻吩单体或吡咯单体)，制得电解液；其中，电解液中，氧化石墨烯的摩尔浓度为1～3mol/L；
S2、将铝箔或铝网作为电极插入步骤S1制得的电解液中，并在电极上通以1～10mA的直流电流，通电时间为1～24h，得到铝/氧化石墨烯-导电高分子电极片；
S3、将步骤S2制得的铝/氧化石墨烯-导电高分子电极片置于真空氛围中、80～300℃下烘烤2～24h，制得铝/石墨烯-导电高分子电极片；
S4、采用阳极氧化法，在步骤S3得到的铝/石墨烯-导电高分子电极片上通过直流电压，通电时间为0.2～2h后，铝氧化得到三氧化二铝，制得结构为铝/三氧化二铝/石墨烯-导电高分子的所述电解电容器电极片；其中，所述直流电压的电压值为固体电解电容器额定电压值的135～200％，即三氧化二铝的厚度大约每伏形成的电压为1.2～1.5nm。
上述制备方法中，步骤S1中，所述氧化石墨采用下述步骤制得：
S11、将质量比2∶1∶1的石墨粉、过硫酸钾、五氧化二磷加入80℃的浓硫酸中，搅拌，随后冷却6h以上，过滤，并洗涤滤物至中性，干燥，备用；
S12、将步骤S11干燥后的滤物加入0℃的浓硫酸中，随后加入高锰酸钾，搅拌；接着依次加入去离子水和质量浓度为30％的双氧水溶液，搅拌混合为混合溶液；其中，高锰酸钾的质量为石墨粉质量的3倍；
S13、过滤步骤S12的混合溶液，并用质量浓度为10％的盐酸洗涤、抽滤、60℃下真空干燥滤物48h，最后得到氧化石墨烯。
下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。
实施例1
电解电容器电极片的制备方法如下：
(1)氧化石墨：将20g纯度为99.5％的50目石墨粉、10g过硫酸钾和10g五氧化二磷加入80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6h以上，洗涤至中性，干燥；将干燥后的样品加入0℃、230mL的浓硫酸中，再加入60g高锰酸钾，混合物的温度保持在20℃以下，然后在35℃的油浴中保持2h后，缓慢加入920mL去离子水；15min后，再依次加入2.8L去离子水和50mL质量浓度为30％的双氧水，之后混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用5L浓度为10％的盐酸进行洗涤、抽滤、在60℃真空干燥48h即得到氧化石墨；
(2)将(1)制备得到的氧化石墨烯溶解于盛有水的容器中，然后加入苯胺单体，形成摩尔浓度为1mol/L的氧化石墨烯电解液；
(3)将铝箔作为电极插入(2)制得的电解液中，并在电极上通以1mA的直流电流，通电时间为1h，得到铝/石墨烯-苯胺单体电极片；
(4)将(3)制得的铝/氧化石墨烯-苯胺单体电极片置于真空氛围中、120℃下烘烤12h，制得铝/石墨烯-苯胺单体电极片；
(5)将(4)得到的铝/石墨烯-苯胺单体电极片进行辊压实处理；
(6)将(5)得到的经压实处理的铝/石墨烯-苯胺单体电极片通过直流电压，该电压是最终电容器额定电压的135％，通电时间为0.5h；完后，得到结构为铝/三氧化二铝-钛酸钡/石墨烯-苯胺单体的所述电解电容器电极片，且该电极片的电导率为150000s/m；其中，三氧化二铝的厚度大约在720nm。
实施例2
电解电容器电极片的制备方法如下：
(1)氧化石墨：将20g纯度为99.5％的50目石墨粉、10g过硫酸钾和10g五氧化二磷加入80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6h以上，洗涤至中性，干燥；将干燥后的样品加入0℃、230mL的浓硫酸中，再加入60g高锰酸钾，混合物的温度保持在20℃以下，然后在35℃的油浴中保持2h后，缓慢加入920mL去离子水；15min后，再依次加入2.8L去离子水和50mL质量浓度为30％的双氧水，之后混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用5L浓度为10％的盐酸进行洗涤、抽滤、在60℃真空干燥48h即得到氧化石墨；
(2)将(1)制备得到的氧化石墨烯溶解于盛有水的容器中，然后加入3，4-乙撑二氧噻吩单体，形成摩尔浓度为1.5mol/L的氧化石墨烯电解液；
(3)将铝网作为电极插入(2)制得的电解液中，并在电极上通以1mA的直流电流，通电时间为24h，得到铝/石墨烯-3，4-乙撑二氧噻吩单体电极片；
(4)将(3)制得的铝/氧化石墨烯-3，4-乙撑二氧噻吩单体电极片置于真空氛围中、300℃下烘烤24h，制得铝/石墨烯-3，4-乙撑二氧噻吩单体电极片；
(5)将(4)得到的铝/石墨烯-3，4-乙撑二氧噻吩单体电极片进行辊压实处理；
(6)将(5)得到的经压实处理的铝/石墨烯-3，4-乙撑二氧噻吩单体电极片通过直流电压，该电压是最终电容器额定电压的150％，通电时间为1.5h；完后，得到结构为铝/三氧化二铝-钛酸钡/石墨烯-3，4-乙撑二氧噻吩单体的所述电解电容器电极片，且该电极片的电导率为140000s/m；其中，三氧化二铝的厚度大约在800nm。
实施例3
电解电容器电极片的制备方法如下：
(1)氧化石墨：将20g纯度为99.5％的50目石墨粉、10g过硫酸钾和10g五氧化二磷加入80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6h以上，洗涤至中性，干燥；将干燥后的样品加入0℃、230mL的浓硫酸中，再加入60g高锰酸钾，混合物的温度保持在20℃以下，然后在35℃的油浴中保持2h后，缓慢加入920mL去离子水；15min后，再依次加入2.8L去离子水和50mL质量浓度为30％的双氧水，之后混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用5L浓度为10％的盐酸进行洗涤、抽滤、在60℃真空干燥48h即得到氧化石墨；
(2)将(1)制备得到的氧化石墨烯溶解于盛有水的容器中，然后加入吡咯单体，形成摩尔浓度为3mol/L的氧化石墨烯电解液；
(3)将铝箔作为电极插入(2)制得的电解液中，并在电极上通以10mA的直流电流，通电时间为1h，得到铝/石墨烯-吡咯单体电极片；
(4)将(3)制得的铝/氧化石墨烯-吡咯单体电极片置于真空氛围中、80℃下烘烤2h，制得铝/石墨烯-吡咯单体电极片；；
(5)将(4)得到的铝/石墨烯-吡咯单体电极片进行辊压实处理；
(6)将(5)得到的经压实处理的铝/石墨烯-吡咯单体电极片通过直流电压，该电压是最终电容器额定电压的180％，通电时间为1.5h；完后，得到结构为铝/三氧化二铝-钛酸钡/石墨烯-吡咯单体的所述电解电容器电极片，且该电极片的电导率为120000s/m；其中，三氧化二铝的厚度大约在830nm。
实施例4
电解电容器电极片的制备方法如下：
(1)氧化石墨：将20g纯度为99.5％的50目石墨粉、10g过硫酸钾和10g五氧化二磷加入80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6h以上，洗涤至中性，干燥；将干燥后的样品加入0℃、230mL的浓硫酸中，再加入60g高锰酸钾，混合物的温度保持在20℃以下，然后在35℃的油浴中保持2h后，缓慢加入920mL去离子水；15min后，再依次加入2.8L去离子水和50mL质量浓度为30％的双氧水，之后混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用5L浓度为10％的盐酸进行洗涤、抽滤、在60℃真空干燥48h即得到氧化石墨；
(2)将(1)制备得到的氧化石墨烯溶解于盛有水的容器中，然后加入3，4-乙撑二氧噻吩单体，形成摩尔浓度为2mol/L的氧化石墨烯电解液；
(3)将铝箔作为电极插入(2)制得的电解液中，并在电极上通以2mA的直流电流，通电时间为5h，得到铝/石墨烯-3，4-乙撑二氧噻吩单体电极片；
(4)将(3)制得的铝/氧化石墨烯-3，4-乙撑二氧噻吩单体电极片置于真空氛围中、300℃下烘烤12h，制得铝/石墨烯-3，4-乙撑二氧噻吩单体电极片；
(5)将(4)得到的铝/石墨烯-3，4-乙撑二氧噻吩单体电极片进行辊压实处理；
(6)将(5)得到的经压实处理的铝/石墨烯-3，4-乙撑二氧噻吩单体电极片通过直流电压，该电压是最终电容器额定电压的200％，通电时间为2h；完后，得到结构为铝/三氧化二铝-钛酸钡/石墨烯-3，4-乙撑二氧噻吩单体的所述电解电容器电极片，且该电极片的电导率为110000s/m；其中，三氧化二铝的厚度大约在900nm。。
应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种电解电容器电极片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将氧化石墨烯溶于水溶液中，随后加入导电高分子，制得电解液；
S2、将铝箔或铝网作为电极插入步骤S1制得的电解液中，并在电极上通以1～10mA的直流电流，通电时间为1～24h，得到铝/氧化石墨烯-导电高分子电极片；
S3、将步骤S2制得的铝/氧化石墨烯-导电高分子电极片置于真空氛围中、80～300℃下烘烤2～24h，制得铝/石墨烯-导电高分子电极片；
S4、采用阳极氧化法，在步骤S3得到的铝/石墨烯-导电高分子电极片上通过直流电压，通电时间为0.5`2h后，制得结构为铝/三氧化二铝/石墨烯-导电高分子的所述电解电容器电极片；其中，所述直流电压的电压值为固体电解电容器额定电压值的135～200％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述氧化石墨采用下述步骤制得：
S11、将质量比2:1:1的石墨粉、过硫酸钾、五氧化二磷加入浓硫酸中，搅拌，随后冷却、过滤，并洗涤滤物至中性，干燥，备用；
S12、将步骤S11干燥后的滤物加入0℃的浓硫酸中，随后加入高锰酸钾，搅拌；接着依次加入去离子水和质量浓度为30％的双氧水溶液，搅拌混合为混合溶液；
S13、过滤步骤S12的混合溶液，并用质量浓度为10％的盐酸洗涤、抽滤、干燥滤物，最后得到氧化石墨烯。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S12中，高锰酸钾的质量为石墨粉质量的3倍。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S12中，所述双氧水的体积数为50ml。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1的所述电解液中，所述氧化石墨烯的摩尔浓度为1～3mol/L。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述导电高分子包括苯胺单体、3,4-乙撑二氧噻吩单体或吡咯单体。
7.根据权利要求1至6任一所述的制备方法，其特征在于，所述电解电容器电极片的电导率为110000～150000s/m。
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