CN103887077A - 一种超级电容器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超级电容器及其制备方法，超级电容器由多孔碳材料，如活性碳、碳纳米管、石墨烯等与氧化钌混合或共同沉积而成。本发明解决了现有超级电容器能量密度低下的严重不足，充分利用石墨烯的高导电性和优异的比表面积实现双电层电荷存储，解决电池功率不足的问题，同时，由于氧化钌在氧化物材料中具有最大的理论比容量，充分利用氧化钌法拉第电容电荷存储机理，使本发明的超级电容器能量密度显著提高，因而本发明的石墨烯-氧化钌超级电容器兼具高功率密度和高能量密度的双重优点，为超级电容器的工程化和实用化打下了坚实的基础。

Description

一种超级电容器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型电化学储能技术的电容器，尤其涉及一种超级电容器及其制备方法。
背景技术
超级电容器为近年来研究发展的一种新型能源器件，其性能介于电池和普通电容器之间，不仅具有大电流充放电的性能，同时具有电池的储能特性，且循环寿命长、安全可靠、免维护、不污染环境等优点。
随着科技的不断进步，人们对绿色能源和生态环境的关注愈来愈强烈，超级电容器作为新型储能器件，具有十分广泛的用途，尤其是在电动汽车和电动自行车中可与电池组合使用，实现大电流放电，弥补电池功率的不足；另一方面，在电动车辆启动、下坡和刹车等过程中，实现能量回收，降低了车辆的能量消耗，提高了能量利用率，扩大了电动车辆的行驶里程。
超级电容器根据储能原理可分为双电层电容和法拉第准电容两种类型。双电层电容电荷储存发生在电极与电解质所形成的双电层上，因而，能量密度较低，但功率密度大，放电能力强；而法拉第电容其电荷存储是基于欠电位沉积、电化学吸附、脱附和氧化还原产生的电荷迁移，电荷存储不仅发生在电极表面，而且出现在电极内部的体相中，因而，能量密度高，电容量大。但现有的超级电容器大多以多孔活性炭为电极材料，通过增大比表面积实现双电层电荷的存储，尽管功率密度可达电池的10倍以上，但能量密度不及电池的十分之一，严重制约着超级电容器的推广应用。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种超级电容器及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种超级电容器，包括电极、隔膜、电解液和封装外壳等组成，超级电容器的外形可以是纽扣型、方型和圆柱型；电极形式可以是叠层、卷绕等形式；超级电容器可以单个或组合使用。所述封装外壳为塑料封装外壳或金属封装外壳。
进一步地，所述电极由多孔碳质材料复合制成。
进一步地，所述电极为由活性碳、碳纳米管或石墨烯与氧化钌复合而成的材料复合制成。
作为优选，所述电极为由石墨烯与氧化钌复合而成的材料复合制成。
进一步地，所述由活性碳、碳纳米管或石墨烯与氧化钌复合而成的复合材料通过印刷、涂覆、打印等方式负载在钽基集流体上，热压而成。
进一步地，所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素或聚乙烯醇。
作为优选，所述隔膜为聚丙烯多孔膜。
作为优选，所述电解液为H2SO4水溶液。
一种如权利要求1所述的超级电容器的制备方法，包括以下步骤：
（1）将0.5g氧化石墨放入烧杯中，加入200ml去离子水，超声1小时得棕黄色、透明且均匀分散的氧化石墨烯胶体溶液，进入下一步骤；
（2）将氧化石墨烯胶体溶液放入500ml三颈瓶中，水浴80℃加热，加入5.5g硼氧化钠还原2-3小时，最后得到黑色絮状沉淀，将沉淀物进行洗涤、抽滤、干燥后得到石墨烯粉末，进入下一步骤；
（3）将5mol/L的RuCL3·XH2O溶于乙醇水溶液中，缓慢加入NH4HCO3水溶液，控制PH值在5-5.5之间，经过充分搅拌10至20小时，过滤或离心分离、纯水冲洗至PH值为中性，将过滤后得到的滤饼在200-300℃热处理8-12小时，获得无定形氧化钌纳米粉末，进入下一步骤；
（4）再将石墨烯与RuO2·XH2O粉末以1:1的比例混合碾磨8-12小时形成石墨烯—氧化钌复合物，进入下一步骤；
（5）将复合物、导电石墨、聚四氟乙烯以85:10:5的比例混合调制成浆料，热压在钽箔上，形成超级电容器复合电极，再以聚丙烯多孔膜为隔膜，以38%H2SO4水溶液为电解液组装成超级电容器。
本发明的有益效果在于：
本发明解决了现有超级电容器能量密度低下的严重不足，充分利用石墨烯的高导电性和优异的比表面积实现双电层电荷存储，解决电池功率不足的问题，同时，由于氧化钌在氧化物材料中具有最大的理论比容量，充分利用氧化钌法拉第电容电荷存储机理，本发明的超级电容器能量密度显著提高，因而本发明的石墨烯-氧化钌超级电容器兼具高功率密度和高能量密度的双重优点，为超级电容器的工程化和实用化打下了坚实的基础。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作进一步说明：
本发明为一种超级电容器，包括电极、隔膜、电解液和封装外壳，超级电容器芯通过叠层或卷绕形成。封装外壳为塑料封装外壳或金属封装外壳。电极由多孔碳质材料复合制成。电极为由活性碳、碳纳米管或石墨烯与氧化钌复合而成的材料复合制成。电极最好由石墨烯与氧化钌复合而成的材料复合制成。由活性碳、碳纳米管或石墨烯与氧化钌复合而成的复合材料通过印刷、涂覆、打印等方式负载在钽基集流体上，热压而成。粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素或聚乙烯醇。隔膜为聚丙烯多孔膜。电解液为H2SO4水溶液。
实施例1：
一种超级电容器的制备方法：将0.5g氧化石墨放入烧杯中，加入200ml去离子水，超声1小时得棕黄色均匀分散的氧化石墨烯胶体溶液，将氧化石墨烯胶体溶液放入500ml三颈瓶中，水浴80℃加热，加入5.5g硼氧化钠还原2-3小时，最后得到黑色絮状沉淀，将沉淀物进行洗涤、抽滤、干燥后得到石墨烯粉末，将5mol/L的RuCL3·XH2O溶于乙醇水溶液中，缓慢加入NH4HCO3水溶液，控制PH值在5-5.5之间，经过充分搅拌10至20小时，过滤或离心分离、纯水冲洗至PH值为中性，将过滤后得到的滤饼在200-300℃热处理8-12小时，获得无定形氧化钌纳米粉末，再将石墨烯与RuO2·XH2O粉末以1:1的比例混合碾磨8-12小时形成石墨烯—氧化钌复合物，将复合物、导电石墨、聚四氟乙烯以85:10:5的比例混合调制成浆料，热压在钽箔上，形成超级电容器复合电极，再以聚丙烯多孔膜为隔膜，以38%H2SO4水溶液为电解液组装成超级电容器。在1C的充放电条件下，能量密度为45.2wh/kg，200次循环后，容量保持率为94.5%。
实施例2：
一种超级电容器的制备方法：将2.5g/L的氧化石墨烯超声分散，获得均匀分散的氧化石墨烯胶体溶液，然后与0.5mol/L的RuCL3·XH2O醇水溶液混合，加入质量分数为80%的水合肼，水浴加热恒温在70-80℃，充分搅拌10-12小时，获得石墨烯—氧化钌共沉积复合物，将复合物过滤、纯水冲洗至中性，将滤饼在200-300℃热处理8-12小时，获得复合物纳米粉体。将复合物纳米粉体、导电石墨、聚四氟乙烯以85:10:5的比例混合调制成浆料，热压在钽箔上，形成超级电容器复合电极，再以聚丙烯多孔膜为隔膜、38%H2SO4水溶液为电解液组装成超级电容器，在1C的充放电条件下，能量密度为46.7wh/kg，200次循环后，容量保持率为96.5%。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超级电容器，其特征在于：包括电极、隔膜、电解液和封装外壳，所述电容器芯通过电极叠层或卷绕形成。
2.根据权利要求1所述的一种超级电容器，其特征在于：所述封装外壳为塑料封装外壳或金属封装外壳。
3.根据权利要求1所述的一种超级电容器，其特征在于：所述电极由多孔碳质材料复合制成。
4.根据权利要求1或3所述的一种超级电容器，其特征在于：所述电极为由活性碳、碳纳米管或石墨烯与氧化钌复合而成的材料复合制成。
5.根据权利要求4所述的一种超级电容器，其特征在于：所述电极为由石墨烯与氧化钌复合而成的材料复合制成。
6.根据权利5所述的一种超级电容器，其特征在于：所述由活性碳、碳纳米管或石墨烯与氧化钌复合而成的复合材料通过印刷、涂覆、打印等方式负载在钽基集流体上，热压而成。
7.根据权利6所述的一种超级电容器，其特征在于：所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素或聚乙烯醇。
8.根据权利要求1所述的一种超级电容器，其特征在于：所述隔膜为聚丙烯多孔膜。
9.根据权利要求1所述的一种超级电容器，其特征在于：所述电解液为H2SO4水溶液。
10.一种如权利要求1所述的超级电容器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将0.5g氧化石墨放入烧杯中，加入200ml去离子水，超声1小时得棕黄色均一透明、均匀分散的氧化石墨烯胶体溶液，进入下一步骤；
（2）将氧化石墨烯胶体溶液放入500ml三颈瓶中，水浴80℃加热，加入5.5g硼氧化钠还原2-3小时，最后得到黑色絮状沉淀，将沉淀物进行洗涤、抽滤、干燥后得到石墨烯粉末，进入下一步骤；
（3）将5mol/L的RuCL3·XH2O溶于乙醇水溶液中，缓慢加入NH4HCO3水溶液，控制PH值在5-5.5之间，经过充分搅拌10至20小时，过滤或离心分离、纯水冲洗至PH值为中性，将过滤后得到的滤饼在200-300℃热处理8-12小时，获得无定形氧化钌纳米粉末，进入下一步骤；
（4）再将石墨烯与RuO2·XH2O粉末以1:1的比例混合碾磨8-12小时形成石墨烯—氧化钌复合物，进入下一步骤；
（5）将复合物、导电石墨、聚四氟乙烯以85:10:5的比例混合调制成浆料，热压在钽箔上，形成超级电容器复合电极，再以聚丙烯多孔膜为隔膜，以38%H2SO4水溶液为电解液组装成超级电容器。
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