CN102810404B - 固体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，其公开了一种固体电解电容器电极片及其制备方法；该固体电解电容器电极片结构为铝/三氧化二铝/石墨烯。本发明提供的固体电解电容器电极片，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、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，且生产成本低的固体电解电容器电极片
本发明的技术方案如下：
一种固体电解电容器电极片，其结构为铝/三氧化二铝/石墨烯(即Al/Al2O3/石墨烯)，该固体电解电容器电极片的电导率为10～300s/m。
本发明的另一目的在于提供固体电解电容器电极片的制备方法，其步骤如下：
S1、将氧化石墨烯溶于容器底部浸泡有铝箔或铝网的水溶液中，得到氧化石墨烯水溶液(其中，氧化石墨烯水溶液的摩尔浓度为1～3mol/L)；接着超声搅拌、沉积处理后，去除水溶液，干燥，得到铝/氧化石墨烯电极片；
S2、将所述氧化石墨烯电极片置于真空环境中、100℃下，进行热解还原分解反应，得到铝/石墨烯电极片；
S3、采用阳极氧化法，在步骤S2得到的铝/石墨烯电极片上通过直流电压，通电时间为0.5～2h后，铝直接氧化制得三氧化二铝，得到结构为铝/三氧化二铝/石墨烯的所述固体电解电容器电极片，该电极片的厚度为720～900nm；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％。
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。
本发明提供的固体电解电容器电极片，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、适合工业化生产。
附图说明
图1为本发明Al/Al2O3/石墨烯电极片的SEM图；
图2为本发明Al/Al2O3/石墨烯电极片的截面SEM图；
图3为本发明Al/Al2O3/石墨烯电极片的制备工艺流程图。
具体实施方式
本发明提供的一种固体电解电容器电极片，如图1和2所示，其结构为铝/三氧化二铝/石墨烯(即Al/Al2O3/石墨烯)，该固体电解电容器电极片的电导率为10～300s/m，优选电极片的电导率为100s/m。
本发明提供的上述固体电解电容器电极片的制备方法，其步骤如下：
S1、将氧化石墨烯溶于容器底部浸泡有铝箔或铝网的水溶液中，得到氧化石墨烯水溶液(其中，氧化石墨烯水溶液的摩尔浓度为1～3mol/L)；接着超声搅拌、沉积处理后，去除水溶液，干燥，得到铝/氧化石墨烯电极片；
S2、将所述氧化石墨烯电极片置于真空环境中、100～1000℃下，进行热解还原分解反应，得到铝/石墨烯电极片；
S3、采用阳极氧化法，在步骤S2得到的铝/石墨烯电极片上通过直流电压，通电时间为0.5～2h后，铝直接氧化制得三氧化二铝，得到结构为铝/三氧化二铝/石墨烯的所述固体电解电容器电极片，该电极片的厚度为720～900nm；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％。
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
固体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，形成摩尔浓度为1mol/L的氧化石墨烯水溶液，该容器底部浸泡铝箔；超声沉积处理，沉积时间1小时后，真空烘烤铝箔24小时，得到铝/氧化石墨电极片；
(3)将(2)得到的铝/氧化石墨电极片在真空条件下，加热到100度，热还原分解得到铝/石墨烯电极片；
(4)将(3)得到的铝/石墨电极片进行辊压实处理；
(5)将(4)得到的经压实处理的铝/石墨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2h；完后，制得三氧化二铝，得到结构为铝/三氧化二铝/石墨烯的所述固体电解电容器电极片，且该电极片的电导率为10s/m；其中，三氧化二铝的厚度大约在720nm。
实施例2
固体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，形成摩尔浓度为11mol/L的氧化石墨烯水溶液，该容器底部浸泡铝箔；超声沉积处理，沉积时间72小时后，真空烘烤铝箔72小时，得到铝/氧化石墨电极片；
(3)将(2)得到的铝/氧化石墨电极片在真空条件下，加热到1000度，热还原分解得到铝/石墨烯电极片；
(4)将(3)得到的铝/石墨电极片进行辊压实处理；
(5)将(4)得到的经压实处理的铝/石墨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0.5h；完后，制得三氧化二铝，得到结构为铝/三氧化二铝/石墨烯的所述固体电解电容器电极片，且该电极片的电导率为300s/m；其中，三氧化二铝的厚度大约在900nm。
实施例3
固体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，形成摩尔浓度为2mol/L的氧化石墨烯水溶液，该容器底部浸泡铝网；超声沉积处理，沉积时间12小时后，真空烘烤铝箔12小时，得到铝/氧化石墨电极片；
(3)将(2)得到的铝/氧化石墨电极片在真空条件下，加热到500度，热还原分解得到铝/石墨烯电极片；
(4)将(3)得到的铝/石墨电极片进行辊压实处理；
(5)将(4)得到的经压实处理的铝/石墨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1h；完后，制得三氧化二铝，得到结构为铝/三氧化二铝/石墨烯的所述固体电解电容器电极片，且该电极片的电导率为90s/m；其中，三氧化二铝的厚度大约在800nm。
实施例4
固体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，形成摩尔浓度为3mol/L的氧化石墨烯水溶液，该容器底部浸泡铝箔；超声沉积处理，沉积时间12小时后，真空烘烤铝箔12小时，得到铝/氧化石墨电极片；
(3)将(2)得到的铝/氧化石墨电极片在真空条件下，加热到800度，热还原分解得到铝/石墨烯电极片；
(4)将(3)得到的铝/石墨电极片进行辊压实处理；
(5)将(4)得到的经压实处理的铝/石墨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，制得三氧化二铝，得到结构为铝/三氧化二铝/石墨烯的所述固体电解电容器电极片，且该电极片的电导率为200s/m；其中，三氧化二铝的厚度大约在850nm。
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 (6)
1.一种固体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、将氧化石墨烯溶于容器底部浸泡有铝箔或铝网的水溶液中，得到氧化石墨烯水溶液；接着超声搅拌、沉积处理后，去除水溶液，干燥，得到铝/氧化石墨烯电极片；
S2、对所述氧化石墨烯电极片进行氧化还原反应，得到铝/石墨烯电极片；
S3、采用阳极氧化法，在步骤S2得到的铝/石墨烯电极片上通过直流电压，通电后，制得三氧化二铝，得到结构为铝/三氧化二铝/石墨烯的所述固体电解电容器电极片；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％；
步骤S1中，所述氧化石墨烯水溶液的摩尔浓度为1～3mol/L；
步骤S2中，所述氧化还原反应为真空环境中、100～1000℃下的热解还原分解反应。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述氧化石墨烯采用下述步骤制得：
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S3中，所述三氧化二铝的厚度为720～900nm。
6.根据权利要求1至5任一所述的制备方法，其特征在于，所述固体电解电容器电极片的电导率为10～300s/m。
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