CN105336507A - 超级电容器正极材料及其制备方法以及采用该正极材料的超级电容器 - Google Patents

超级电容器正极材料及其制备方法以及采用该正极材料的超级电容器 Download PDF

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郑忠斌
廖晨敏
马鑫
余乃平
尤金军
韩兆祥
张旖静
夏林娟
白志强
李悦
秦亚宾
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Abstract

本发明涉及超级电容器正极材料及其制备方法以及采用该正极材料的超级电容器，该正极材料由电极活性物质NiL2(H2O)4，其中L＝4-pyridine？carboxylate、导电剂、粘结剂、正极集流体组成。其制备方法包括的步骤有：将电极活性物质NiL2(H2O)4、导电剂、粘结剂按比例混合在烧杯中；往烧杯中加入无水乙醇，直至无水乙醇浸没烧杯中物质为止；将烧杯置于磁力加热搅拌器上搅拌；用刮刀将烧杯中物质涂覆在正极集流体上；将涂覆后的正极集流体置于电热恒温鼓风干燥箱内，100℃下恒温摆放直至得到所述正极材料。本发明还涉及采用该正极材料的超级电容器。实验条件下，该正极材料所制备的超级电容器质量比电容可达到1149F/g且寿命较长，可广泛应用于消费电子产品、不间断电源系统、电动车用的混合电源系统等领域。

Description

超级电容器正极材料及其制备方法以及采用该正极材料的超级电容器
技术领域
本发明涉及超级电容器正极材料及其制备方法以及采用该正极材料的超级电容器。
背景技术
超级电容器是一种介于常规电容器和二次电池之间的新型储能元件。兼有电容和电池之间的双重功能，其功率密度远高于普通电池，而能量密度远高于电容，其体积小，容量大，充电速度快、寿命长等优点，其在消费电子产品、不间断电源系统，电动车用的混合电源系统等领域具有广阔的应用前景。超级电容器根据储能机理的不同，分为炭基超级电容器(双电层电容器)和以金属氧化物以及导电聚合物为电极材料的准电容电容器。
在上述两类超级电容器中，炭基超级电容器所用的电极材料活性炭的比电容较低，限制了超级电容器器件的性能。众所周知，提高贮能器件的比能量可以减轻其自身的质量，因此具有重大的现实意义，而要提高贮能器件的比能量就要提高其关键电极材料的比电容。
在超级电容器中，电极材料是关键，决定着超级电容器的主要性能指标。可以说超级电容器发展的核心就是其电极材料的发展。
如中国发明专利CN1357899A公开了一种复合型超级电容器电极材料,由碳纳米管与金属复合氧化物组成。
中国发明专利CN102969162A公开了一种锂离子电容器正极片及其制备方法。该锂离子电容器正极片包括正极集流体基体和依次叠加结合在正极集流体基体表面的活性材料层、正极材料层。其制备方法包括的步骤有：配制活性材料浆料、正极浆料和获取正极集流体基体；将所述活性材料浆料涂布在所述正极集流体基体表面，烘干，形成活性材料浆料层；在所述活性材料浆料层表面上再次涂布正极浆料，并经烘干、冷压、二次烘干，得到所述锂离子电容器正极片。
中国发明专利CN103413692A公开了一种锂离子电容器正极片，该锂离子正极片包括活性材料、导电剂、粘结剂、集流体，其中正极活性材料为表面功能化石墨烯、纳米活化石墨烯材料、石墨烯/金属氮化物复合材料，集流体为开孔率30～50％的可以自由穿梭锂离子的多孔集流体。该正极片具有比表面积高、吸附电荷容量高、导电性好的优点，可以有效提高锂离子电容器的能量密度和功率密度。本发明还公开了一种使用该正极片的锂离子电容器，该锂离子电容器包括正极、负极、隔膜、电解液及具有可以实现向负极预嵌锂功能的辅助电极。
中国发明专利CN102354617A公开了一种高能镍碳超级电容器正极板浆料,正极板浆料由正极用粘合剂和主料构成,其中正极用粘合剂为正极粘合剂和主料所形成浆料总重量的20％-35％。本超级电容器是由氢氧化镍为主要活性物质的正极材料制成的正极板,碱金属氢氧化物水性电解液和储氢合金粉与活性炭材料为主要活性物质制成的混合负极板,以及隔膜密封在不锈钢或工程塑料外壳内构成,具有储能密度大、放电功率高等特点；该正极材料所制备的超级电容器工作电压达到1.3V,最大储能密度达到65Wh/kg。
以及中国发明专利CN103022484A公开了一种锂离子导电络合物改性的磷酸铁锂正极材料及其制备方法。其中，锂离子导电络合物是通过含有能与锂盐发生配位作用基团的有机聚合物与锂盐络合而成。锂离子导电络合物改性的磷酸铁锂正极材料的具体制备方法为：先将有机聚合物与锂盐按照一定的摩尔比在溶液中络合、干燥，然后与磷酸铁锂粉末进行充分的混合而得到锂离子导电络合物改性的磷酸铁锂，这种改性的磷酸铁锂可用作锂离子电池的正极材料。
以上现有技术的正极材料制造成的超级电容器均存在比电容较低以及较高比电容时寿命较短的缺点。
因此，为了提供一种在低倍率和高倍率下比电容均高以及寿命较长的超级电容器，本领域技术人员致力于开发一种超级电容器正极材料及其制备方法，采用该正极材料的超级电容器能够极大提高现有技术中超级电容器的能量密度和功率密度。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种超级电容器正极材料及其制备方法以及采用该正极材料的超级电容器，从而可以提高超级电容器的能量密度和功率密度及其寿命。
为实现上述目的，本发明提供了超级电容器正极材料，该超级电容器正极材料包含电极活性物质，所述电极活性物质为NiL2(H2O)4，其中L＝4-pyridinecarboxylate。
采用该技术方案，由于该电极活性物质具有稳定的特性，可使得包含了该电极活性物质的正极材料制得的超级电容器具有高比电容的技术效果，同时提高了超级电容器的能量密度和功率密度及其寿命。
优选地，超级电容器正极材料还包括导电剂、粘结剂和正极集流体。
优选地，所述导电剂为乙炔黑、石墨烯或超导电碳黑之其中一种。
优选地，所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚乙烯醇或聚偏氟二乙烯之其中一种。
优选地，所述正极集流体为铜箔、铝箔或泡沫镍之其中一种。
更优选地，所述导电剂为超导电碳黑，所述粘结剂为聚四氟乙烯，所述金属有机络合物NiL2(H2O)4、超导电炭黑和聚四氟乙烯的质量比例为75:20:5。采用该技术方案所得到的正极材料与其他技术方案相比具有更高的比电容。
本发明还提供了上述超级电容器正极材料的制备方法，其具体包括以下步骤：
(1)将电极活性物质NiL2(H2O)4、导电剂和粘结剂混合在烧杯中；
(2)往烧杯中加入无水乙醇，直至无水乙醇能浸没烧杯中物质为止；
(3)将烧杯置于磁力加热搅拌器上搅拌；
(4)用刮刀将烧杯中物质涂覆在正极集流体上；
(5)将涂覆后的正极集流体置于电热恒温鼓风干燥箱内，100℃下恒温直至得到所述超级电容器正极材料。
优选地，所述制备方法中，所述导电剂为超导电碳黑，所述粘结剂为聚四氟乙烯，所述电极活性物质NiL2(H2O)4、超导电碳黑和聚四氟乙烯按75:20:5的比例混合。
优选地，所述制备方法第三步骤中，搅拌时间为1个小时。
优选地，所述制备方法第五步骤中，恒温摆放时间为1个小时。
优选地，所述正极集流体为泡沫镍，所述泡沫镍的尺寸为1×1cm2。
本发明还提供了超级电容器，所述超级电容器包含了本发明所提供的超级电容器正极材料。
优选地，所述超级电容器还包括6摩尔/升KOH或NAOH的电解液。
采用该技术方案的超级电容器，在5mV/s的扫描速率时达到了1149F/g的高比电容。同时，该速率下经过1000次循环，比电容的保持率仍为84％。
以下将结合附图对本发明的构思及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
参照附图，本发明的特征、优点和特性通过下文的具体实施方式的描述得以更好的理解，附图中：
图1：本发明实施例1所制备的正极材料在不同扫描速率分别为5、10、20、50、100和200mV/s的CV循环伏安图
图2：本发明实施例1所制备的正极材料在5mV/s的扫描速率下经过1000次循环的比电容变化图
图3：本发明实施例2所制备的正极材料在不同扫描速率分别为5、10、20、50、100和200mV/s的CV循环伏安图
图4：本发明实施例3所制备的正极材料在不同扫描速率分别为5、10、20、50、100和200mV/s的CV循环伏安图
图5：本发明实施例4所制备的正极材料在不同扫描速率分别为5、10、20、50、100和200mV/s的CV循环伏安图
图6：本发明实施例5所制备的正极材料在不同扫描速率分别为5、10、20、50、100和200mV/s的CV循环伏安图
图7:本发明实施例6所制备的正极材料在不同扫描速率分别为5、10、20、50、100和200mV/s的CV循环伏安图
具体实施方式
本发明超级电容器的正极材料，包括电极活性物质NiL2(H2O)4、导电剂、粘结剂、正极集流体。
本发明超级电容器正极的制备方法，分别包括以下五个步骤：第一步先将电极活性物质NiL2(H2O)4、导电剂和粘结剂按照75:20:5的质量比例混合在某烧杯中；第二步往上述烧杯中加入无水乙醇，使得无水乙醇浸没烧杯中物质为止；第三步将上述烧杯放置于磁力加热搅拌器上搅拌1个小时；第四步再用刮刀将烧杯中物质涂覆在正极集流体上；最后一步将涂覆后的正极集流体置于电热恒温鼓风干燥箱内，100℃下恒温摆放1个小时。
本发明超级电容器，电解液为浓度为6摩尔/升的KOH或NAOH。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
实施例一
分别秤取15克NiL2(H2O)4(L＝4-pyridinecarboxylate)、4克超导电炭黑以及1克聚四氟乙烯放入烧杯中，混合均匀后，加入适量的无水乙醇至浸没烧杯中物质为止，然后将烧杯置于磁力加热搅拌器上搅拌1个小时后，用刮刀将搅拌后的烧杯中的物质涂覆在正极集流体泡沫镍上，泡沫镍尺寸为1×1cm2，以此制得了超级电容器的正极材料。我们采用三电极体系进行循环伏安测试，以测试该正极材料的比电容，选用3×5cm2大小的铂片和饱和甘汞电极(SCE)作为辅助电极和参比电极，由前面我们制成的正极材料作为工作电极，测试系统为CHI660C电化学工作站，其中电解液选用KOH水溶液，浓度为6摩尔/升。在-0.1～0.6V电位区间的范围内进行充放电循环试验，扫描速率分别为5、10、20、50、100和200mV/s。电化学性能测试结果表明，金属有机络合物NiL2(H2O)4(L＝4-pyridinecarboxylate)与超导电炭黑、聚四氟乙烯和泡沫镍制成的正极材料在5mV/s的扫描速率时比电容为1149F/g，具体的CV循环伏安图如图1所示。同时，在5mV/s的扫描速率下经过1000次循环的比电容变化图如图2所示。
实施例二
分别秤取15克NiL2(H2O)4(L＝4-pyridinecarboxylate)、4克乙炔黑以及1克聚乙烯醇放入烧杯中，混合均匀后，加入适量的无水乙醇至浸没烧杯中物质为止，然后将烧杯置于磁力加热搅拌器上搅拌1个小时后，用刮刀将搅拌后的烧杯中的物质涂覆在正极集流体铜箔上，铜箔尺寸为1×1cm2，以此制得了超级电容器的正极材料。我们采用三电极体系进行循环伏安测试，以测试本发明正极材料的比电容，选用3×5cm2大小的铂片和饱和甘汞电极(SCE)作为辅助电极和参比电极，由前面我们制成的正极材料作为工作电极，测试系统为CHI660C电化学工作站，其中电解液选用KOH水溶液，浓度为6摩尔/升。在-0.1～0.6V电位区间的范围内进行充放电循环试验，扫描速率分别为5、10、20、50、100和200mV/s。电化学性能测试结果表明，金属有机络合物NiL2(H2O)4(L＝4-pyridinecarboxylate)与乙炔黑、聚乙烯醇和铜箔制成的正极材料在5mV/s的扫描速率时比电容为945F/g。具体的CV循环伏安图如图3所示。
实施例三
分别秤取15克NiL2(H2O)4(L＝4-pyridinecarboxylate)、4克石墨烯以及1克聚偏氟二乙烯放入烧杯中，混合均匀后，加入适量的无水乙醇至浸没烧杯中物质为止，然后将烧杯置于磁力加热搅拌器上搅拌1个小时后，用刮刀将搅拌后的烧杯中的物质涂覆在正极集流体铝箔上，铝箔尺寸为1×1cm2，以此制得了超级电容器的正极材料。我们采用三电极体系进行循环伏安测试，以测试本发明正极材料的比电容，选用3×5cm2大小的铂片和饱和甘汞电极(SCE)作为辅助电极和参比电极，由前面我们制成的正极材料作为工作电极，测试系统为CHI660C电化学工作站，其中电解液选用KOH水溶液，浓度为6摩尔/升。在-0.1～0.6V电位区间的范围内进行充放电循环试验，扫描速率分别为5、10、20、50、100和200mV/s。电化学性能测试结果表明，金属有机络合物NiL2(H2O)4(L＝4-pyridinecarboxylate)与石墨烯、聚偏氟二乙烯和铝箔制成的正极材料在5mV/s的扫描速率时比电容为836F/g。具体的CV循环伏安图如图4所示。
实施例四
分别秤取15克NiL2(H2O)4(L＝4-pyridinecarboxylate)、4克超导电炭黑以及1克聚偏氟二乙烯放入烧杯中，混合均匀后，加入适量的无水乙醇至浸没烧杯中物质为止，然后将烧杯置于磁力加热搅拌器上搅拌1个小时后，用刮刀将搅拌后的烧杯中的物质涂覆在正极集流体铜箔上，铜箔尺寸为1×1cm2，以此制得了超级电容器的正极材料。我们采用三电极体系进行循环伏安测试，以测试本发明正极材料的比电容，选用3×5cm2大小的铂片和饱和甘汞电极(SCE)作为辅助电极和参比电极，由前面我们制成的正极材料作为工作电极，测试系统为CHI660C电化学工作站，其中电解液选用NAOH水溶液，浓度为6摩尔/升。在-0.1～0.6V电位区间的范围内进行充放电循环试验，扫描速率分别为5、10、20、50、100和200mV/s。电化学性能测试结果表明，金属有机络合物CoL2(H2O)4(L＝4-pyridinecarboxylate)与超导电炭黑、聚偏氟二乙烯和铜箔制成的正极材料在5mV/s的扫描速率时比电容为928F/g具体的CV循环伏安图如图5所示。
实施例五
分别秤取15克NiL2(H2O)4(L＝4-pyridinecarboxylate)、4克乙炔黑以及1克聚乙烯醇放入烧杯中，混合均匀后，加入适量的无水乙醇至浸没烧杯中物质为止，然后将烧杯置于磁力加热搅拌器上搅拌1个小时后，用刮刀将搅拌后的烧杯中的物质涂覆在正极集流体铝箔上，铝箔尺寸为1×1cm2，以此制得了超级电容器的正极材料。我们采用三电极体系进行循环伏安测试，以测试本发明正极材料的比电容，选用3×5cm2大小的铂片和饱和甘汞电极(SCE)作为辅助电极和参比电极，由前面我们制成的正极材料作为工作电极，测试系统为CHI660C电化学工作站，其中电解液选用NAOH水溶液，浓度为6摩尔/升。在-0.1～0.6V电位区间的范围内进行充放电循环试验，扫描速率分别为5、10、20、50、100和200mV/s。电化学性能测试结果表明，金属有机络合物NiL2(H2O)4(L＝4-pyridinecarboxylate)与乙炔黑、聚乙烯醇和铝箔制成的正极材料在5mV/s的扫描速率时比电容为1008F/g。具体的CV循环伏安图如图6所示。
实施例六
分别秤取15克NiL2(H2O)4(L＝4-pyridinecarboxylate)、4克乙炔黑以及1克聚四氟乙烯放入烧杯中，混合均匀后，加入适量的无水乙醇至浸没烧杯中物质为止，然后将烧杯置于磁力加热搅拌器上搅拌1个小时后，用刮刀将搅拌后的烧杯中的物质涂覆在正极集流体泡沫镍上，泡沫镍尺寸为1×1cm2，以此制得了超级电容器的正极材料。我们采用三电极体系进行循环伏安测试，以测试本发明正极材料的比电容，选用3×5cm2大小的铂片和饱和甘汞电极(SCE)作为辅助电极和参比电极，由前面我们制成的正极材料作为工作电极，测试系统为CHI660C电化学工作站，其中电解液选用NAOH水溶液，浓度为6摩尔/升。在-0.1～0.6V电位区间的范围内进行充放电循环试验，扫描速率分别为5、10、20、50、100和200mV/s。电化学性能测试结果表明，金属有机络合物NiL2(H2O)4(L＝4-pyridinecarboxylate)与乙炔黑、聚四氟乙烯和泡沫镍制成的正极材料在5mV/s的扫描速率时比电容为918F/g。具体的CV循环伏安图如图7所示。
以上详细描述了本发明的优选的具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的设计构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的设计构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内和/或由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.超级电容器正极材料，其特征在于：包含电极活性物质，所述电极活性物质为NiL2(H2O)4，其中L＝4-pyridinecarboxylate。
2.根据权利要求1所述的超级电容器正极材料，其特征在于:还包括导电剂、粘结剂和正极集流体。
3.根据权利要求2所述的超级电容器正极材料，其特征在于：所述导电剂为乙炔黑、石墨烯或超导电碳黑之其中一种。
4.根据权利要求2所述的超级电容器正极材料，其特征在于所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚乙烯醇或聚偏氟二乙烯之其中一种。
5.根据权利要求2所述的超级电容器正极材料，其特征在于所述正极集流体为铜箔、铝箔或泡沫镍之其中一种。
6.根据权利要求2所述的超级电容器正极材料，其特征在于所述导电剂为超导电碳黑，所述粘结剂为聚四氟乙烯，所述金属有机络合物NiL2(H2O)4、超导电碳黑和聚四氟乙烯的质量比例为75:20:5。
7.如权利要求1至6任一所述的超级电容器正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将所述电极活性物质NiL2(H2O)4、导电剂和粘结剂混合在烧杯中；
(2)往烧杯中加入无水乙醇，直至无水乙醇能浸没烧杯中物质为止；
(3)将烧杯置于磁力加热搅拌器上搅拌；
(4)用刮刀将烧杯中物质涂覆在正极集流体上；
(5)将涂覆后的正极集流体置于电热恒温鼓风干燥箱内，100℃下恒温直至得到所述超级电容器正极材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述导电剂为超导电碳黑，所述粘结剂为聚四氟乙烯，所述电极活性物质NiL2(H2O)4、超导电碳黑和聚四氟乙烯按75:20:5的比例混合。
9.超级电容器，其特征在于：包含如权利要求1-8任一所述的超级电容器正极材料。
10.根据权利要求9所述的超级电容器，还包括电解液，其特征在于：电解液为浓度为6摩尔/升KOH或NAOH。
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