CN103413688A - 一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极及其制作方法 - Google Patents

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关成善
宗继月
马宏茹
辛军委
王勇
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Abstract

本发明公开了一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极及其制作方法，电极的材料主要由凹凸棒土和大比表面积活性炭材料组成。所述凹凸棒土材料直径为20-50nm，长度为500-1000nm，所述大比表面积活性炭的微孔不小于2nm。具有比表面积大、利用率高、微孔较大能够形成双电层，结晶程度高、导电性高具有较高的能量密度和比功率。本发明应用天然存在的凹凸棒土纳米材料，使得电极具有更大的有效比表面积，增强电解液的电导率，具有更好的充放电性能；更由于其价格低廉，具有广泛的应用前景。

Description

一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种电容器的电极材料，尤其涉及一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极及其制作方法。
背景技术
超级电容器是一种处于电池和传统电容器之间性能卓著的新型储能装置，具有充放电速度快、能量转换效率高、循环使用寿命长、超低温特性好、免维护、低污染等优点，可以作为独立电源或者复式电源使用，广泛应用于启动、脉冲放电和备用电源等领域。
电极材料是影响超级电容器容量的主要因素。理想的电极材料除了要求比表面积大、结晶度高和良好的导电性外，还要求微孔必须集中在一定的范围内（＞2nm）。现在的双电层电容器电极材料包括：活性炭系类和过渡金属氧化物系列。到现在为止，比表面积大的碳材料有活性炭粉末、碳气溶胶、网络结构活性炭以及某些有机物的炭化产物等，现在能够找到的活性炭的比表面积有2000m2/g,但是其实际利用率不超过30%，这就是因为小于2nm的微孔是不能形成双电层的。而本发明中所采用的凹凸棒土的基本结构为棒晶，直径为20-50nm，长度为500-1000nm，经过精工制得的凹凸棒土系列产品，具有无数蜂窝状的孔隙。凹凸棒土比表面积大，结晶度高，而且其本身存在不定量的Na+、Ca2+、Fe3+、Al3+，这些游离的离子可以在电解液中进行快速的传导电荷，可以极大地提高其导电性，又可以增强电解液中正负离子间的相互作用；由于其特有的链层状结构，电解液中的离子以及本身具有的阳离子近似有效半径小，完全可以通过阳离子交换进入到凹凸棒土的晶体结构中，因此，该超级电容器具有较高的能量密度和比功率。另外，凹凸棒土是一种天然的纳米结构材料，价格便宜，因此，将凹凸棒土材料应用于超级电容器电极材料具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极及其制作方法，具有比表面积大、利用率高、微孔较大能够形成双电层，结晶程度高、导电性高，因此具有较高的能量密度和比功率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：电极的材料主要由凹凸棒土和大比表面积活性炭材料组成。
根据所述的一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：所述凹凸棒土材料直径为20-50nm，长度为500-1000nm，所述大比表面积活性炭的微孔不小于2nm。
根据所述的一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：所述凹凸棒土和大比表面积活性炭材料的质量百分比为1-30%。
根据所述的一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：所述的凹凸棒土材料为凹凸棒土系列产品，凹凸棒土系列产品为成核剂、分子筛粘结剂、涂料助剂。
根据所述的一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：所述凹凸棒土比表面积大，结晶度高，而且其本身存在不定量的Na+、Ca2+、Fe3+、Al3+，这些游离的离子可以在电解液中进行快速的传导电荷，可以极大地提高其导电性，又可以增强电解液中正负离子间的相互作用。
根据所述的一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：所述凹凸棒土有链层状结构，电解液中的离子以及本身具有的阳离子近似有效半径小，完全可以通过阳离子交换进入到凹凸棒土的晶体结构中。
一种所述电极的制作方法，其特征在于：将大比表面积碳材料和凹凸棒土材料在鼓风烘箱中经过高温处理2-5h；然后放入搅拌机中，加入5wt%-10wt%的粘合剂,加入 5wt%-20wt%的导电剂，然后加入100wt%-400wt%的去离子水，最后加入100%-200%的无水乙醇，充分混合后搅拌2-30小时；将搅拌好的材料揉制成片状并且压成一定厚度的薄片，经过压制、烘干、切片等工序制成超级电容器的电极极片；选取强酸性溶液或者非离子性溶剂作为电解质，选取具备离子导通性能好的绝缘材料作为隔膜，然后将经过充分浸泡的正极片、负极片和隔膜组装成为不同型号的超级电容器。
根据所述的电极的制作方法，其特征在于：所述的粘合剂为聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯、丙烯腈多元共聚物，所述的导电剂为乙炔黑、石墨，所述非离子性溶剂为碳酸丙烯酯、乙醇，所述隔膜为玻璃纤维纸、聚丙烯、纤维素。
本发明的优点效果在于：具有比表面积大、利用率高、微孔较大能够形成双电层，结晶程度高、导电性高具有较高的能量密度和比功率。本发明应用天然存在的凹凸棒土纳米材料，使得电极具有更大的有效比表面积，增强电解液的电导率，具有更好的充放电性能；更由于其价格低廉，具有广泛的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
本发明所示，一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：电极的材料主要由凹凸棒土和大比表面积活性炭材料组成。根据所述的一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：所述凹凸棒土材料直径为20-50nm，长度为500-1000nm，所述大比表面积活性炭的微孔不小于2nm。根据所述的一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：所述凹凸棒土和大比表面积活性炭材料的质量百分百为1-30%。根据所述的一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：所述的凹凸棒土材料为凹凸棒土系列产品，凹凸棒土系列产品为成核剂、分子筛粘结剂、涂料助剂。根据所述的一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：所述凹凸棒土比表面积大，结晶度高，而且其本身存在不定量的Na+、Ca2+、Fe3+、Al3+，这些游离的离子可以在电解液中进行快速的传导电荷，可以极大地提高其导电性，又可以增强电解液中正负离子间的相互作用。根据所述的一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：所述凹凸棒土有链层状结构，电解液中的离子以及本身具有的阳离子近似有效半径小，完全可以通过阳离子交换进入到凹凸棒土的晶体结构中。一种所述电极的制作方法，其特征在于：将大比表面积碳材料和凹凸棒土材料在鼓风烘箱中经过高温处理2-5h；然后放入搅拌机中，加入5wt%-10wt%的粘合剂,加入 5wt%-20wt%的导电剂，然后加入100wt%-400wt%的去离子水，最后加入100%-200%的无水乙醇，充分混合后搅拌2-30小时；将搅拌好的材料揉制成片状并且压成一定厚度的薄片，经过压制、烘干、切片等工序制成超级电容器的电极极片；选取强酸性溶液或者非离子性溶剂作为电解质，选取具备离子导通性能好的绝缘材料作为隔膜，然后将经过充分浸泡的正极片、负极片和隔膜组装成为不同型号的超级电容器。根据所述的电极的制作方法，其特征在于：所述的粘合剂为聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯、丙烯腈多元共聚物，所述的导电剂为乙炔黑、石墨，所述非离子性溶剂为碳酸丙烯酯、乙醇，所述隔膜为玻璃纤维纸、聚丙烯、纤维素。
本发明的具体实施例如下：
材料处理
将大比表面积碳材料和凹凸棒土材料在鼓风烘箱中经过高温处理2-5h，大比表面积活性碳材料的加热温度为100℃-200℃，凹凸棒土材料的加热温度为200℃-400℃。
实施例1
选取直径为20-50nm，长度为500-1000nm的凹凸棒土系列产品（如成核剂、分子筛粘结剂、涂料助剂等）和大比表面积碳材料放入搅拌机中，加入5wt%-10wt%的粘合剂（如聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯等）,然后加入100wt%-150wt%的去离子水，最后加入100%-200%的无水乙醇，充分混合后搅拌2-5小时，将搅拌好的材料揉制成片状并且压成一定厚度的薄片，经过压制、烘干、切片等工序制成超级电容器的电极极片。
选取强酸性溶液（如H2SO4）或者非离子性溶剂（如碳酸丙烯酯、乙醇等）作为电解质。选取具备离子导通性能好的绝缘材料作为隔膜（如玻璃纤维纸、聚丙烯、纤维素等），然后将经过充分浸泡的正极片、负极片和隔膜组装成为不同型号的超级电容器。
实施例2
选取直径为20-50nm，长度为500-1000nm的凹凸棒土系列产品（如成核剂、分子筛粘结剂、涂料助剂等）和大比表面积碳材料放入搅拌机中，加入5wt%-10wt%的粘合剂（如丙烯腈多元共聚物等）,然后加入200wt%-400wt%的去离子水，充分混合后搅拌5-30小时，将搅拌好的材料经过研磨、过筛，涂覆在集流体（如泡沫镍、铝箔、铜箔等），经过压制、烘干、切片等工序，制成超级电容器的正、负极片。
选取强酸性溶液（如H2SO4）或者非离子性溶剂（如碳酸丙烯酯、乙醇等）作为电解质。选取具备离子导通性能好的绝缘材料作为隔膜（如玻璃纤维纸、聚丙烯、纤维素等），然后将经过充分浸泡的正极片、负极片和隔膜组装成为不同型号的超级电容器。
实施例3
选取直径为20-50nm，长度为500-1000nm的凹凸棒土系列产品（如成核剂、分子筛粘结剂、涂料助剂等）和大比表面积碳材料放入搅拌机中，加入5wt%-20wt%的导电剂（如乙炔黑、石墨等），加入5wt%-10wt%的粘合剂（如聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯等）,然后加入200wt%-400wt%的去离子水，经过充分混合后搅拌5-30小时，将搅拌好的材料经过研磨、过筛，涂覆在集流体（如泡沫镍、铝箔、铜箔等），经过压制、烘干、切片等工序，制成超级电容器的正、负极片。
选取强酸性溶液（如H2SO4）或者非离子性溶剂（如碳酸丙烯酯、乙醇等）作为电解质。选取具备离子导通性能好的绝缘材料作为隔膜（如玻璃纤维纸、聚丙烯、纤维素等），然后将经过充分浸泡的正极片、负极片和隔膜组装成为不同型号的超级电容器。
 通过上述实施例制备的双电层超级电容器具有明显优于单纯活性碳材料组成的超级电容器，同时还可以显著提升双电层超级电容器的稳定工作电压，并可以较好地抑制双电层电容器的高自放电过程。若在应用中加入少许导电剂，经测试超级电容器的内阻大大减小，循环充放电至少一万次，而容量仍为初始的90%以上。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：电极的材料主要由凹凸棒土和大比表面积活性炭材料组成。
2.根据权利要求1所述的一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：所述凹凸棒土材料直径为20-50nm，长度为500-1000nm，所述大比表面积活性炭的微孔不小于2nm。
3.根据权利要求1所述的一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：所述凹凸棒土和大比表面积活性炭材料的质量百分比为1-30%。
4.根据权利要求1所述的一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：所述的凹凸棒土材料为凹凸棒土系列产品，凹凸棒土系列产品为成核剂、分子筛粘结剂、涂料助剂。
5.根据权利要求1所述的一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：所述凹凸棒土比表面积大，结晶度高，而且其本身存在不定量的Na+、Ca2+、Fe3+、Al3+，这些游离的离子可以在电解液中进行快速的传导电荷，可以极大地提高其导电性，又可以增强电解液中正负离子间的相互作用。
6.根据权利要求1所述的一种应用凹凸棒土制备的超级电容器电极，其特征在于：所述凹凸棒土有链层状结构，电解液中的离子以及本身具有的阳离子近似有效半径小，完全可以通过阳离子交换进入到凹凸棒土的晶体结构中。
7.一种权利要求1-6所述电极的制作方法，其特征在于：将大比表面积碳材料和凹凸棒土材料在鼓风烘箱中经过高温处理2-5h；然后放入搅拌机中，加入5wt%-10wt%的粘合剂,加入 5wt%-20wt%的导电剂，然后加入100wt%-400wt%的去离子水，最后加入100%-200%的无水乙醇，充分混合后搅拌2-30小时；将搅拌好的材料揉制成片状并且压成一定厚度的薄片，经过压制、烘干、切片等工序制成超级电容器的电极极片；选取强酸性溶液或者非离子性溶剂作为电解质，选取具备离子导通性能好的绝缘材料作为隔膜，然后将经过充分浸泡的正极片、负极片和隔膜组装成为不同型号的超级电容器。
8.根据权利要求7所述电极的制作方法，其特征在于：所述的粘合剂为聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯、丙烯腈多元共聚物，所述的导电剂为乙炔黑、石墨，所述非离子性溶剂为碳酸丙烯酯、乙醇，所述隔膜为玻璃纤维纸、聚丙烯、纤维素。
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