CN106024417B - 一维聚苯胺纳米棒状材料用作混合型超级电容器的正极材料的制备方法 - Google Patents

一维聚苯胺纳米棒状材料用作混合型超级电容器的正极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一维聚苯胺纳米棒状材料用作混合型超级电容器的正极材料的制备方法；采用以2‑氨基对苯二甲酸单体为模板制备的一维聚苯胺纳米棒状材料作为正极活性物质，导电剂为乙炔黑；将活性物质和导电剂在研钵中充分研磨，以N‑甲基吡咯烷酮作为溶剂，研磨至流动胶状，涂在不锈钢箔上，真空干燥；将干燥后的不锈钢箔，冲压成电极片；其中正极活性物质80％～90％，导电剂10％～20％。合成的聚苯胺棒状材料的比容量在扫描速率为0.5mV/S时最高可达179F/g，且在电流密度为50A/g仍可进行充放电，这远远大于许多碳质材料的最大电流密度和比容量。

Description

一维聚苯胺纳米棒状材料用作混合型超级电容器的正极材料 的制备方法
技术领域
本发明涉及将一种一维聚苯胺材料用作混合型超级电容器的正极材料，具体地说是将以2-氨基对苯二甲酸单体为模板制备的一维聚苯胺纳米棒状材料用作混合型超级电容器的正极材料，来改善其大电流密度下的倍率性能。
背景技术
随着便携式电子设备和电动车的快速发展，传统的能量存储设备已远远不能满足人们的需求。因此，生产出具有优异电化学性能的新型存储设备越来越受到人们的关注。混合型超级电容器，是一种介于超级电容器和电池之间的新型储能原件，它克服了传统电池和传统电容器的缺陷，作为能源储存装置展现出了十分广泛的应用前景。
在制备混合型超级电容器的过程中，寻找一种合适的电极材料对提高混合型电容器的电性能起着非常重要的作用。在大量的研究中，具有高比表面积和微中孔结构的碳质材料，如三维石墨烯，多孔碳球，活化聚苯胺衍生碳，分层氮掺杂碳等材料一直被用作正极材料，来提高储能原件的电化学性能。2001年，Amatucci等首先制造混合型超级电容器通过使用活性炭(AC)作为正极材料，纳米结构钛酸锂作负极材料，其能量密度比常规超级电容器高出近三倍(Amatucci G G,Badway F,Du Pasquier A,et al.An asymmetric hybridnonaqueous energy storage cell[J].Journal of the Electrochemical Society,2001,148(8):A930-A939)。然而，由于物理能量储存机理和多微孔结构的限制导致碳质材料作为正极材料不利于高电流密度下的电容反应。因此，仍迫切需要开发出新种类的大电流密度下具有高倍率性能的混合型超级电容器正极材料。
发明内容
聚苯胺是一种重要的导电聚合物材料，广泛地应用于电池和电容器的电极材料中，表现出了优异的电化学性能。但将其应用于混合型超级电容器的正极材料并不多见，且目前所应用的碳质正极材料在大电流下的倍率性能一般较差。因此，为了改善混合型超级电容器大电流下的倍率性能，本发明首次采用以2-氨基对苯二甲酸单体为模板制备的一维聚苯胺纳米棒状材料用作混合型超级电容器的正极材料，并且本发明中的正极活性材料具有很好的粘结性，在电极片的制作过程中无需加入粘结剂，组装的混合型超级电容器在大电流下具有很好的倍率性能。普通聚苯胺的比容量为106F/g，而合成的一维聚苯胺棒状材料的比容量在扫描速率为0.5mV/S时最高可达179F/g，且在电流密度为50A/g仍可进行充放电，这远远大于许多碳质正极材料的最大电流密度和比容量。
本发明的具体技术方案如下：
一维聚苯胺纳米棒状材料用作混合型超级电容器的正极材料的制备方法；其特征是采用以2-氨基对苯二甲酸单体为模板制备的一维聚苯胺纳米棒状材料作为正极活性物质，导电剂为乙炔黑；将活性物质和导电剂在研钵中充分研磨，以N-甲基吡咯烷酮作为溶剂，研磨至流动胶状，涂在不锈钢箔上，真空干燥；将干燥后的不锈钢箔，冲压成电极片；其中正极活性物质80％～90％，导电剂10％～20％。
电池的组装：将正极、负极、隔膜、电解液、电池壳在充满氩气的手套箱内进行半电池的组装。装配时，参比对电极为金属锂片，隔膜为Celgrad3500，电解液为高氯酸锂的碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯(体积比为1:1)溶液。将负极壳、弹片、垫片、负极锂片、隔膜、正极电极片、正极壳依次装配得到电池，并将组装好的电容器进行电化学性能测试。
所述以2-氨基对苯二甲酸单体为模板制备的一维聚苯胺纳米棒状材料，采用市售产品，或也可以详见专利申请号CN2016103742426的制备方法。
所述真空干燥温度为50℃～100℃，干燥时间为10～24小时；
电容器进行电化学性能测试的电流密度为20mA～5000mA，充放电循环圈数为1～100圈。
本发明将以2-氨基对苯二甲酸(ATA)单体为模板制备出的一维聚苯胺纳米棒状材料用作混合型超级电容器的正极材料，从而大大改善了混合型电容器大电流密度下的倍率性能。将事先制备的一维聚苯胺纳米棒状材料用作混合型电容器的正极材料，乙炔黑为导电剂。以N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，在研钵中充分研磨至流动胶状，涂在不锈钢箔上，真空干燥后，冲压成直径为1厘米电极片。再将负极壳、弹片、垫片、负极锂片、隔膜、正极电极片、正极壳依次装配成半电池后进行电化学性能测试，从而得到大电流密度下具有很好倍率性能的混合型超级电容器。普通聚苯胺的比容量为106F/g，合成的聚苯胺棒状材料的比容量在扫描速率为0.5mV/S时最高可达179F/g，且在电流密度为50A/g仍可进行充放电，这远远大于许多碳质材料的最大电流密度和比容量。
附图说明
图1为将一维聚苯胺纳米棒状材料用作混合型超级电容器的正极材料，所装配的电容器在不同电流密度下的比容量。
图2为将一维聚苯胺纳米棒状材料用作混合型超级电容器的正极材料，所装配的电容器在充放电循环100圈的比容量和循环稳定性曲线。
具体实施方式
为了使本发明的优点、技术方案及目的更加明白，下面结合实例对本发明进行进一步的说明。下面给出本发明的实施例，是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
正极活性物质采用2-氨基对苯二甲酸单体为模板制备的市售产品一维聚苯胺纳米棒状材料；或也可以详见专利申请号CN2016103742426的制备方法。
实施例1
将制备的一维聚苯胺纳米棒状材料，导电剂为乙炔黑。各原料的质量百分比分别为：正极活性物质80％，导电剂20％。将活性物质和乙炔黑在研钵中充分研磨，以N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，研磨至流动胶状，涂在不锈钢箔上，50℃下真空干燥24h。将干燥后的不锈钢箔，冲压成直径为1厘米电极片，称量电极片上活性物质后，将混合电容器装配后在电流密度为20mA～5000mA下测试其比容量，并对其充放电循环1～100圈后测试其比容量，得到的聚苯胺棒状材料的比容量在扫描速率为0.5mV/S时最高可达170F/g，且在电流密度为50A/g仍可进行充放电，这远远大于许多碳质材料的最大电流密度和比容量。
实施例2
将制备的一维聚苯胺纳米棒状材料，导电剂为乙炔黑。各原料的质量百分比分别为：正极活性物质85％，导电剂15％。将活性物质和乙炔黑在研钵中充分研磨，以N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，研磨至流动胶状，涂在不锈钢箔上，80℃下真空干燥15h。将干燥后的不锈钢箔，冲压成直径为1厘米电极片，称量电极片上活性物质后，将混合电容器装配后在电流密度为20mA～5000mA下测试其比容量，并对其充放电循环1～100圈后测试其比容量，得到的聚苯胺棒状材料的比容量在扫描速率为0.5mV/S时最高可达179F/g，且在电流密度为50A/g仍可进行充放电，这远远大于许多碳质材料的最大电流密度和比容量。
实施例3
将制备的一维聚苯胺纳米棒状材料，导电剂为乙炔黑。各原料的质量百分比分别为：正极活性物质90％，导电剂10％。将活性物质和乙炔黑在研钵中充分研磨，以N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，研磨至流动胶状，涂在不锈钢箔上，100℃下真空干燥12h。将干燥后的不锈钢箔，冲压成直径为1厘米电极片，称量电极片上活性物质后，将混合电容器装配后在电流密度为20mA～5000mA下测试其比容量，并对其充放电循环1～100圈后测试其比容量，得到的聚苯胺棒状材料的比容量在扫描速率为0.5mV/S时最高可达160F/g，且在电流密度为50A/g仍可进行充放电，这远远大于许多碳质材料的最大电流密度和比容量。
本发明公开和提出的一维聚苯胺纳米棒状材料用作混合型超级电容器的正极材料的制备方法；改善电容器大电流下的倍率性能，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变原料和工艺路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (1)

1.一维聚苯胺纳米棒状材料用作混合型超级电容器的正极材料的制备方法；其特征是采用以2-氨基对苯二甲酸单体为模板制备的一维聚苯胺纳米棒状材料作为正极活性物质，导电剂为乙炔黑；将活性物质和导电剂在研钵中充分研磨，以N-甲基吡咯烷酮作为溶剂，研磨至流动胶状，涂在不锈钢箔上，真空干燥；将干燥后的不锈钢箔，冲压成电极片；正极活性物质80％～90％，导电剂10％～20％；真空干燥温度为50℃～100℃，干燥时间为10～24小时。
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