CN103258646A - 一种轻质、柔性电化学电容器电极制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻质、柔性电化学电容器电极制备方法，属于电极材料技术领域。本发明首先将碳纤维布浸渍于丙酮或者酒精中，在室温下超声清洗4小时后，在60℃下干燥8小时；然后将上述处理后的碳纤维布部分地浸渍于高锰酸钾水溶液中进行氧化还原反应。最后，将反应所得的电极依次用乙醇和去离子水洗涤至无色，60℃下真空干燥12小时，即可得到电化学电容器电极。本发明反应条件温和、生产成本低廉、技术路线简便，且节能环保。采用本发明制备的轻质、柔性超级电容器除可以满足对传统电容一般的使用要求，还可以满足需要厚度小、质量轻、易变形，比如有机发光二极管、射频识别等电子产品，的使用要求。
Description
技术领域
本发明属于电极材料技术领域，尤其涉及一种具有高度柔韧性的电化学电容器电极的制备方法。
背景技术
电化学电容器是一种介于二次电池和传统电容器之间的新型储能装置，与普通电池相比，它具有更大的比功率和更长的循环使用寿命；与传统电容器相比，它具有更大的比能量。电化学电容器既能满足如电动汽车启动、加速等高功率输出的需要，也能用于电路元件、小型电器和直流开关电源等。为了满足电子产品（比如有机发光二极管、射频识别等）对电源的要求，电化学电容器需要向重量轻、体积小、可变形、能量密度大等方向发展。从电极材料的角度看，目前广泛使用的是碳（活性碳、乙炔黑、纳米碳管和石墨烯等）、过渡金属氧化物（RuO2，MnOx，NiOx和CoOx等）以及有机导电聚合物等。碳是最早被用于制造电化学电容器的电极材料，也是截至目前工业化最为成功的电极材料。但是，碳材料在使用时，通常需要加入有机粘结剂，电极的机械变形能力差；有机导电聚合物具有比较好的机械变形能力，但是在充放电循环过程中，导电聚合物结构分散性大、稳定性差，导致容量保持率低；由于金属氧化物在电极/溶液界面法拉第反应所产生的法拉第电容要远大于碳材料表面的双电层电容，金属氧化物用于电容器电极材料的研究成为目前研究的热点。基于成本和环境保护等多方面因素的考虑，锰氧化物电容特性尤其引人注意。锰氧化物价格低廉，丰富易得，是一种骨架结构为[MnO6]八面体的复杂氧化物。
锰氧化物是一种半导体材料，块状结构的锰氧化物电子导能力并不好。用作电化学电容器电极材料时，实际容量远远小于其理论放电容量。究其原因，主要是发生氧化还原反应的金属氧化物只有电极表面的一小部分，而内部的氧化物并没有参与反应。纳米化或者薄膜化对提高锰氧化物的电化学性能，特别是容量和倍率特性，有明显的效果。锰氧化物薄膜在缩短液相正离子或者电子扩散距离的同时，还为氧化还原反应提供了较大的反应面积，目前，锰氧化物薄膜通常是采用电化学方式沉积在柔性导电材料上（比如ITO膜等）。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轻质、柔性电化学电容器电极制备方法。由于即没有使用碳导电剂和有机粘结剂，也没有使用泡沫镍等金属材料骨架（集流体），借由本发明，可以在提升电容器倍率性能和机械柔韧性的同时，降低电极重量和制造成本。本发明的主要工艺特点是利用氧化还原反应直接将电极活性物质沉积在碳纤维表面。
本发明具体方法是：
首先，将碳纤维布浸渍于丙酮或者酒精中，在室温下超声清洗4小时后，在60℃下干燥8小时。
其次，将上述处理后的碳纤维布部分地浸渍于高锰酸钾水溶液中，反应温度为10℃-110℃，反应时间为1min-240min，高锰酸钾的浓度为0.005M-0.5M。
碳还原高锰酸钾的反应方程式为：
4KMnO4+3C+H2O→4MnO2+K2CO3+2KHCO3
根据反应方程式，称取适量高锰酸钾和水，配制某浓度下的高锰酸钾水溶液。将配制好的高锰酸钾溶液移入可适当密封的聚四氟容器中，加热至所需温度。之后，将碳纤维布浸入高锰酸钾溶液至所需要的时间。
最后，将反应所得的电极依次用乙醇和去离子水洗涤至无色，60℃下真空干燥12小时，即可得到电化学电容器电极。
本发明采用直接氧化碳纤维工艺，电化学活性物质较为牢固地附着于碳纤维（集流体）上，降低了电化学反应电荷转移过程中的接触阻抗；借由纳米厚度薄膜的结构调整和碳纤维材料对机械应力的吸收，所制备的电容器电极具有较好的柔韧性。本发明反应条件温和、生产成本低廉、技术路线简便，且节能环保。采用本发明制备的轻质、柔性电化学电容器除可以满足对传统电容的一般使用要求，还可以满足需要厚度小、质量轻、易变形，比如有机发光二极管、射频识别等电子产品使用要求。
附图说明
图1为实施例1所制备电极的扫描电镜图。
图2为实施例1所制备电极不同形状的CV曲线图，扫描速度20mV/s。
图3为实施例2所制备电极在不同扫描速度时的CV曲线图。
图4为实施例2所制备电极在不同扫描速度时的比容量。
图5为实施例3所制备电极的CV曲线图，扫描速度2mV/s。
图6为实施例4所制备电极的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例进一步解释本发明，但本发明保护范围不仅限于所举实例。
实施例1
将碳纤维布浸渍于丙酮中，在室温下超声清洗4小时后，在60℃下干燥8小时。之后，将经过洗涤的碳纤维布浸渍于0.02M的高锰酸钾水溶液中，反应温度为80℃，反应时间为35min。反应结束后，将反应产物用乙醇和去离子水洗涤至无色，60℃下真空干燥12小时。
图1是在该反应条件下制备的电极的扫描电镜照片。为了验证该电极的机械稳定性能，对不同应力条件下的电极进行了循环伏安测试。不同形状的电极在20mV/s扫描速率时的循环伏安曲线如图2所示，经计算容量损失不超过0.05%。
实施例2
将碳纤维布浸渍于丙酮中，在室温下超声清洗4小时后，在60℃下干燥8小时。之后，将经过洗涤的碳纤维布浸渍于0.5M的高锰酸钾水溶液中，反应温度为10℃，反应时间为240min。反应结束后，将反应产物用无水乙醇和去离子水洗涤至无色，60℃下真空干燥12小时。
尽管反应温度较低，经过一段相当长的反应时间，碳仍然可以与高锰酸钾水溶液发生充分氧化还原反应。图3是在该反应条件下制备的电极在不同扫描速率时的循环伏安循环特性。图4是该电极在不同扫描速率时对应的比容量。
实施例3
将碳纤维布浸渍于丙酮中，在室温下超声清洗4小时后，在60℃下干燥8小时。之后，将经过洗涤的碳纤维布浸渍于0.005M的高锰酸钾水溶液中，反应温度为110℃，反应时间为1min。反应结束后，将反应产物用无水乙醇和去离子水洗涤至无色，60℃下真空干燥12小时。
高温时，碳纤维可以迅速与高锰酸钾反应。图5是在该反应条件下制备的电极在扫描速率为2mV/s时的循环伏安曲线。
实施例4
将碳纤维布浸渍于丙酮中，在室温下超声清洗4小时后，在60℃下干燥8小时。之后，将经过洗涤的碳纤维布浸渍于0.02M的高锰酸钾水溶液中，反应温度为80℃，反应时间为200min。反应结束后，将反应产物用无水乙醇和去离子水洗涤至无色，60℃下真空干燥12小时。图6是在该反应条件下制备的电极的扫描电镜图。
Claims (4)
1. 一种轻质、柔性电化学电容器电极制备方法，其特征在于该方法具体是：
首先，将碳纤维布浸渍于丙酮或者酒精中，在室温下超声清洗4小时后，在60℃下干燥8小时；
其次，将上述处理后的碳纤维布部分地浸渍于高锰酸钾水溶液中，反应温度为10℃-110℃，反应时间为1min-240min，高锰酸钾的浓度为0.005M-0.5M；
最后，将反应所得的电极依次用乙醇和去离子水洗涤至无色，60℃下真空干燥12小时，即可得到电化学电容器电极。
2.根据权利1所述的制备方法，其特征在于：碳纤维布与高锰酸钾直接发生化学氧化还原反应，制备轻质、柔性电极。
3.根据权利1所述的制备方法，其特征在于：碳纤维布既是反应还原剂，又是电极的集流体。
4.根据权利1所述的制备方法，其特征在于：作为电极活性物质的锰氧化物，是经由高锰酸钾的化学还原制备并直接生长在碳纤维布上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130821 |