CN103762094A

CN103762094A - 一种制造活性碳电化学电容器电极材料的方法

Info

Publication number: CN103762094A
Application number: CN201310737244.3A
Authority: CN
Inventors: 杨亚杰; 袁文涛; 杨文耀; 杨晓洁; 徐建华
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2014-04-30

Abstract

本发明实施例公开了提供了一种制造活性碳电化学电容器电极材料的方法，包括：将石墨材料进行研磨处理，获得石墨材料粉末；将石墨材料粉末在酸性条件下进行超声破碎处理，获得活性碳材料；将活性碳材料分散于分散溶剂中，获得第一分散溶液；用第一分散溶液进行电化学沉积，形成活性碳薄膜层。本发明实施例中提供的制造活性碳电化学电容器电极材料的方法，效率高、过程简单、成膜稳定性好。

Description

一种制造活性碳电化学电容器电极材料的方法

技术领域

本发明涉及电子材料技术领域，尤其是涉及一种制造活性碳电化学电容器电极材料的方法。

背景技术

双电层电容器（EDLC）是采用电化学双电层原理的超级电容器，是一种介于普通电容器和电池的新型储能装置，有着能量密度高、循环寿命长和安全性高的优点，且具有工作温度宽、可靠性高、可快速充放电等特点，广泛应用于微机的备用电源、太阳能充电器、报警装置、家用电器等、电动汽车等领域。

双电层电容器又称为电化学电容器或超级电容器，其电极材料是最为关键的部分，也是决定其性能的主要因素。

碳基材料由于其高比表面积、化学稳定性以及经济效应在电化学电容器电极材料占据着重要的地位，而碳基电极双电层电容器的性能很大程度取决于碳材料的性质，其中电极材料的比表面积、孔径分布等因素对电容器的性能产生重要的影响。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种效率高、过程简单、成膜稳定性好的制造活性碳电化学电容器电极材料的方法。

本发明公开的技术方案包括：

提供了一种制造活性碳电化学电容器电极材料的方法，其特征在于，包括：将石墨材料进行研磨处理，获得石墨材料粉末；将所述石墨材料粉末在酸性条件下进行超声破碎处理，获得活性碳材料；将所述活性碳材料分散于分散溶剂中，获得第一分散溶液；用所述第一分散溶液进行电化学沉积，形成活性碳薄膜层。

本发明一个实施例中，将石墨材料进行研磨处理的步骤包括：用球磨机将所述石墨材料球磨10-15小时，获得石墨材料粉末。

本发明一个实施例中，将所述石墨材料粉末在酸性条件下进行超声破碎处理的步骤包括：将所述石石墨材料粉末加入硝酸溶液中，并进行超声破碎处理；在超声破碎处理后的所述硝酸溶液中，获取所述硝酸溶液的上层溶液；将所述上层溶液加入硫酸溶液中，接着再进行超声破碎处理；清洗并干燥所述硫酸溶液中的粉末，获得所述活性碳材料。

本发明一个实施例中，所述硝酸溶液浓度为60-80%；所述硫酸溶液浓度为60-80%；所述超声破碎处理的时间为2-4个小时；所述超声破碎处理的温度为50-70摄氏度。

本发明一个实施例中，所述分散溶剂为异丙醇、甲醇或者乙醇。

本发明一个实施例中，在所述将所述活性碳材料分散于分散溶剂中的步骤中，所述活性碳材料的质量与所述分散溶剂的质量比位1：5至1：10。

本发明一个实施例中，用所述第一分散溶液进行恒电位沉积的步骤包括：以钛电极作为阴极，铂电极作为阳极，在15-25伏特的电压下沉积15-30分钟，从而在所述钛电极上形成活性碳薄膜层。

本发明一个实施例中，还包括：从所述钛电极上取下所述活性碳薄膜层，清洗之后在真空条件下以90-120摄氏度退火处理3-4小时。

本发明实施例中提供的制造活性碳电化学电容器电极材料的方法，效率高、过程简单、成膜稳定性好。

附图说明

图1是本发明一个实施例的制造活性碳电化学电容器电极材料的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的实施例的制造活性碳电化学电容器电极材料的方法的具体步骤。

图1示出了本发明一个实施例的制造活性碳电化学电容器电极材料的方法流程示意图。

如图1所示，在步骤10中，首先制备石墨材料粉末。本步骤中，可以将石墨材料进行研磨处理，从而获得石墨材料粉末。本发明的实施例中，这里的石墨材料可以是任何适合的石墨材料，例如，可以是鳞片石墨。

例如，一个实施例中，可以对石墨材料进行球磨处理。例如，可以将石墨材料加入球磨机中球磨10-15个小时，从而获得石墨材料粉末。

一个实施例中，球磨机可以使用碳化钨或者玛瑙材料的球珠，球磨机转速可以为300-500转/分钟。

步骤10中制成了石墨材料粉末之后，在步骤12中，可以制备活性碳材料。例如，一个实施例中，可以将前述的石墨材料粉末在酸性条件下进行超声破碎处理，从而获得所需的活性碳材料。

一个实施例中，对石墨材料粉末进行超声破碎处理可以包括：

将该石墨材料粉末加入硝酸溶液中，然后进行超声破碎处理。这里， “超声破碎处理”是指对加入了石墨材料粉末的溶液用探头超声仪进行超声处理，使得石墨材料粉末在溶液中充分分散破碎。

一个实施例中，本步骤中的硝酸溶液的浓度可以为60-80%，超声破碎处理的时间可以为2-4小时，超声破碎处理的温度可以为50-70摄氏度。

对加入了石墨材料粉末的硝酸溶液进行超声破碎处理之后，在超声破碎处理后的该硝酸溶液中，获得该硝酸溶液的上层溶液。然后，将该上层溶液加入硫酸溶液中，并进行超声破碎处理。

这里，“超声破碎处理”是指对加入了石墨材料粉末的溶液用探头超声仪进行超声处理，使得石墨材料粉末在溶液中充分分散破碎。

一个实施例中，本步骤中的硫酸溶液的浓度可以为60-80%，超声破碎处理的时间可以为2-4小时，超声破碎处理的温度可以为50-70摄氏度。

经过前述超声破碎处理之后，对获得的硫酸混合溶液进行抽滤得到活性碳粉末，然后进行清洗和干燥，即可获得所需要的活性碳材料。

获得活性碳材料之后，在步骤14中，将活性碳材料分散于分散溶剂中，获得第一分散溶液。

一个实施例中，分散溶剂可以为异丙醇。另外的实施例中，分散溶剂还可以是甲醇或者乙醇。

一个实施例中，在将活性碳材料分散于分散溶剂中的步骤中，其中活性碳材料的质量与分散溶剂的质量比可以为1:5至1:10。例如，可以将活性碳材料1毫克溶于异丙醇7毫升中。

获得了第一分散溶液之后，在步骤16中，用该第一分散溶液进行电化学沉积，使得活性碳沉积到电极上，从而在电极上形成活性碳薄膜层。该活性碳薄膜层即为所需要的活性碳电化学电容器电极材料。

本发明的实施例中，这里的电化学沉积可以使用循环伏安法、恒电位法或者恒电流法。

例如，一个实施例中，用第一分散溶液进行恒电位沉积，具体可以包括：以钛电极作为阴极，铂电极作为阳极，在15-25伏特的电压下沉积15-30分钟，从而在钛电极（阴极）上形成活性碳薄膜层。

本发明的实施例中，在电极上形成了活性碳薄膜层之后，还可以包括，从钛电极（阴极）上取下活性碳薄膜层，清洗之后在真空条件下以100摄氏度退火处理3-4小时。

下面详细描述本发明的几个具体实施例。

实施例1：

（1）将1.0g石墨加入到球磨机中进行球磨处理，其中球磨使用的球珠成分是碳化钨，为了球磨处理的充分，球珠同时使用大球珠7颗和小球珠42颗，在300rpm/s的转速下球磨处理10个小时，然后取处理过的粉末1g加入到150毫升的60%硝酸中在50摄氏度环境下超声破碎2小时，取超声破碎处理过的上层溶液，向里面添加50毫升的70%硫酸，在50摄氏度环境下超声破碎2小时，然后过滤、清洗、烘干得到所需的纳米尺寸活性碳材料；

（2）取纳米尺寸活性碳材料10毫克溶于70毫升异丙醇中，用玻璃棒分散均匀，获得分散溶液；在该分散溶液中，以钛电极作为阴极，铂电极作为阳极，在电化学工作站下进行恒电位沉积（工作电压为15V，工作时间为15mins，两个电极之间距离为3cm）得到纳米尺寸活性碳薄膜层；将得到的薄膜层在空气中以100摄氏度退火处理3h。

采用三电极体系（Pt为对电极，Ag/ AgCl为参比电极，将前面步骤制造的纳米尺寸活性碳电化学电容器电极（活性碳薄膜层）作为工作电极）进行电化学性能测试，进行恒电流充放电测试，采用1mol/L硫酸作为测试电解液，充放电电压为-0.2-1V，充放电电流为500mA/g，测得的比容能够达到216F/g，此外，膜的稳定性好，1000次充放电后，容量保持率在91.7%。

实施例2：

（2）取纳米尺寸活性碳材料10毫克溶于70毫升异丙醇中，用玻璃棒分散均匀，获得分散溶液；在该分散溶液中，以钛电极作为阴极，铂电极作为阳极，在电化学工作站下进行恒电位沉积（工作电压为25V，工作时间为30mins，两个电极之间距离为3cm）得到纳米尺寸活性碳薄膜层；将得到的薄膜层在空气中以100摄氏度退火处理3h。

采用三电极体系（Pt为对电极，Ag/ AgCl为参比电极，将前面步骤制造的纳米尺寸活性碳电化学电容器电极（活性碳薄膜层）作为工作电极）进行电化学性能测试，进行恒电流充放电测试，采用1mol/L硫酸作为测试电解液，充放电电压为-0.2-1V，充放电电流为500mA/g，测得的比容能够达到197.4F/g，此外，膜的稳定性好，1000次充放电后，容量保持率在93.8%。

实施例3：

（2）取纳米尺寸活性碳材料10毫克溶于100毫升异丙醇中，用玻璃棒分散均匀，获得分散溶液；在该分散溶液中，以钛电极作为阴极，铂电极作为阳极，在电化学工作站下进行恒电位沉积（工作电压为15V，工作时间为15mins，两个电极之间距离为3cm）得到纳米尺寸活性碳薄膜层；将得到的薄膜层在空气中以100摄氏度退火处理3h。

采用三电极体系（Pt为对电极，Ag/ AgCl为参比电极，将前面步骤制造的纳米尺寸活性碳电化学电容器电极（活性碳薄膜层）作为工作电极）进行电化学性能测试，进行恒电流充放电测试，采用1mol/L硫酸作为测试电解液，充放电电压为-0.2-1V，充放电电流为500mA/g，测得的比容能够达到201.4F/g，此外，膜的稳定性好，1000次充放电后，容量保持率在94.5%。

实施例4：

（2）取纳米尺寸活性碳材料10毫克溶于100毫升异丙醇中，用玻璃棒分散均匀，获得分散溶液；在该分散溶液中，以钛电极作为阴极，铂电极作为阳极，在电化学工作站下进行恒电位沉积（工作电压为25V，工作时间为30mins，两个电极之间距离为3cm）得到纳米尺寸活性碳薄膜电极层；将得到的薄膜电极层在空气中以100摄氏度退火处理3h。

采用三电极体系（Pt为对电极，Ag/ AgCl为参比电极，将前面步骤制造的纳米尺寸活性碳电化学电容器电极（活性碳薄膜层）作为工作电极）进行电化学性能测试，进行恒电流充放电测试，采用1mol/L硫酸作为测试电解液，充放电电压为-0.2-1V，充放电电流为500mA/g，测得的比容能够达到223.8F/g，此外，膜的稳定性好，1000次充放电后，容量保持率在89.2%。

本发明实施例中提供的制造活性碳电化学电容器电极材料的方法，效率高、过程简单、成膜稳定性好

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims

1.一种制造活性碳电化学电容器电极材料的方法，其特征在于，包括：

将石墨材料进行研磨处理，获得石墨材料粉末；

将所述石墨材料粉末在酸性条件下进行超声破碎处理，获得活性碳材料；

将所述活性碳材料分散于分散溶剂中，获得第一分散溶液；

用所述第一分散溶液进行电化学沉积，形成活性碳薄膜层。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将石墨材料进行研磨处理，获得活性碳材料的步骤包括：

用球磨机将所述石墨材料球磨10-15小时。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述石墨材料粉末在酸性条件下进行超声破碎处理的步骤包括：

将所述石墨材料粉末加入硝酸溶液中，并进行超声破碎处理；

在超声破碎处理后的所述硝酸溶液中，获取所述硝酸溶液的上层溶液；

将所述上层溶液加入硫酸溶液中，并进行超声破碎处理；

清洗并干燥所述硫酸溶液中的粉末，获得所述活性碳材料。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述硝酸溶液浓度为60-80%；所述硫酸溶液浓度为60-80%；所述超声破碎处理的时间为2-4个小时；所述超声破碎处理的温度为50-70摄氏度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述分散溶剂为异丙醇、甲醇或者乙醇。

6.如权利要求1或者5所述的方法，其特征在于：在所述将所述活性碳材料分散于分散溶剂中的步骤中，所述活性碳材料的质量与所述分散溶剂的质量比位1：5至1：10。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的方法，其特征在于，用所述第一分散溶液进行恒电位沉积的步骤包括：

以钛电极作为阴极，铂电极作为阳极，在15-25伏特的电压下沉积15-30分钟，从而在所述钛电极上形成活性碳薄膜层。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：从所述钛电极上取下所述活性碳薄膜层，清洗之后在真空条件下以90-120摄氏度退火处理3-4小时。