CN106098399A - 复合电极、超级电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合电极、超级电容器及其制备方法，复合电极，包括集流体，其特征在于，在所述的集流体外表面设有复合材料层；超级电容器，包括正极(1)、负极(2)、隔膜(3)和电解质(4)，所述的隔膜(3)设于正极(1)与负极(2)间，正极(1)与隔膜(3)间填充电解质(4)；负极(2)与隔膜(3)间填充电解质(4)；所述的正极(1)和/或负极(2)采用复合电极。复合电极材料稳定性好，强度高，该超级电容器具有高容量密度，高功率密度，和优良循环稳定性等特点，可广泛应用于电子、通信，交通运输，能量存储等不同领域。
Description
技术领域
本专利涉及材料与新能源技术领域，尤其是涉及一种复合电极、超级电容器及其制备方法。
背景技术
超级电容器是介于双电层电容器和电池之间的电化学储能装置。超级电容器具有非常高的功率密度，因此可作为广泛的应用于需要高功率的各种能源领域中，但其在需要大容量的领域却受到限制。因此，开发一种新型的电极材料可以同时提高超级电容器的功率密度和能量密度，并使其具有更加广泛的应用领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合电极、超级电容器及其制备方法，复合电极材料稳定性好，强度高，该超级电容器具有高容量密度，高功率密度，和优良循环稳定性等特点，可广泛应用于电子、通信，交通运输，能量存储等不同领域。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种复合电极，包括集流体，在所述的集流体外表面设有复合材料层；
所述的复合材料包括以下材料组分充分混合，且其重量份之比为：
半导体材料，10份～70份
导电基体材料，10份～70份
导电粘结剂，10份～70份
所述的半导体材料包括黑磷或磷烯的一种或两种任意比例组合。
所述的导电基体材料包括导电高分子材料、具有赝电容性质的金属氧化物或碳活性材料中的一种或几种任意比例组合。
所述的导电高分子材料包括聚苯胺及其衍生物、聚吡咯及其衍生物、聚噻吩及其衍生物、聚苯乙烯及其衍生物、聚吡啶及其衍生物、聚喹啉及其衍生物或聚对苯及其衍生物中的一种或几种任意比例组合；
或者，
所述的具有赝电容性质的金属氧化物包括锰、镍、钒、钴或钌的氧化物中的一种或几种任意比例组合；
或者，
所述碳活性材料包括石墨、石墨烯、碳纳米管、软碳、硬碳、碳纤维、碳凝胶或活性炭中的一种或几种任意比例组合，以及，功能化的石墨、功能化的石墨烯、功能化的碳纳米管、功能化的软碳、功能化的硬碳、功能化的碳纤维、功能化的碳凝胶、功能化的活性炭中的一种或几种任意比例组合。
所述的导电粘结剂包括导电剂和粘结剂，其中：
导电剂，5份～35份；导电剂包括石墨、乙炔黑、炭黑、碳纤维、石墨烯、软碳、硬碳和碳纳米管中的一种或几种任意比例组合；
粘结剂，5份～35份；粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸和环糊精中的一种或几种任意比例组合。
所述的集流体的材料为铜、铝、镍、不锈钢、碳、石墨、导电高分子材料、石墨烯、碳纳米管、碳纤维或碳凝胶。
一种超级电容器，包括正极1、负极2、隔膜3和电解质4，所述的隔膜3设于正极1与负极2间，正极1与隔膜3间填充电解质4；负极2与隔膜3间填充电解质4；所述的正极1和/或负极2采用权利要求1至6任意一项所述的复合电极。
所述的所述隔膜3为聚丙烯微孔膜，聚乙烯微孔膜、聚乙烯-聚丙烯复合膜、聚偏氟丙烯微孔膜、聚偏氟乙烯微孔膜、聚偏氟乙烯-聚偏氟丙烯复合膜、纸隔膜、陶瓷隔膜或无纺布隔膜。
一种超级电容器的制备方法，包括：
步骤A、正极1和/或负极2的复合电极材料的制备，按比例取复合材料并充分混合成浆料，将浆料涂覆于集流体表面，制成正极1和/或负极2的复合电极材料；
步骤B、超级电容器的组装，在正极1与负极2间设置隔膜4，填充电解质，以叠片或绕卷的方式组装成超级电容器。
所述的步骤A的涂覆包括浸渍、涂布、喷涂、电沉积、打印或印刷。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种复合电极、超级电容器及其制备方法，复合电极材料稳定性好，强度高，该超级电容器具有高容量密度，高功率密度，和优良循环稳定性等特点，可广泛应用于电子、通信，交通运输，能量存储等不同领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例二提供的超级电容器的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的超级电容器的循环伏安曲线图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
另需要说明的是本文中所提到的描述方位的“上”、“下”、“左”、“右”、“前、“后”除特殊说明均不特指该方位，只是为了描述方便，所述产品的放置方向不同其描述也不尽相同。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下可理解的方位，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。
实施例一
一种复合电极，包括集流体，在所述的集流体外表面设有复合材料层；
所述的复合材料包括以下材料组分充分混合，且其重量份之比为：
半导体材料，10份～70份
导电基体材料，10份～70份
导电粘结剂，10份～70份
本例中，所述的半导体材料包括黑磷或磷烯的一种或两种任意比例组合，总份数是10份～70份。
本例中，所述的导电基体材料包括“导电高分子材料”、“具有赝电容性质的金属氧化物”或“碳活性材料”中的一种或几种任意比例组合，也就是可以只有一种，也可以是任意的两种，也可以是三种都有，总份数是10份～70份。
这里，所述的导电高分子材料包括聚苯胺及其衍生物、聚吡咯及其衍生物、聚噻吩及其衍生物、聚苯乙烯及其衍生物、聚吡啶及其衍生物、聚喹啉及其衍生物或聚对苯及其衍生物中的一种或几种任意比例组合；也就是可以只有一种，也可以是任意的两种、三种……，也可以是所有的种类都有，如导电基体材料只选取“导电高分子材料”，则总份数是10份～70份。
这里，所述的具有赝电容性质的金属氧化物包括锰、镍、钒、钴或钌的氧化物中的一种或几种任意比例组合；也就是可以只有一种，也可以是任意的两种、三种……，也可以是所有的种类都有，如导电基体材料只选取“具有赝电容性质的金属氧化物”，则总份数是10份～70份。
这里，所述碳活性材料包括石墨、石墨烯、碳纳米管、软碳、硬碳、碳纤维、碳凝胶或活性炭中的一种或几种任意比例组合。同时，所述碳活性材料还可以同时(或单独只)包括功能化的石墨、功能化的石墨烯、功能化的碳纳米管、功能化的软碳、功能化的硬碳、功能化的碳纤维、功能化的碳凝胶、功能化的活性炭中的一种或几种任意比例组合。也就是可以只有一种，也可以是任意的两种、三种……，也可以是所有的种类都有，如导电基体材料只选取“碳活性材料”，则总份数是10份～70份。
本例中，所述的导电粘结剂包括导电剂和粘结剂，其中：
导电剂，5份～35份；导电剂包括石墨、乙炔黑、炭黑、碳纤维、石墨烯、软碳、硬碳和碳纳米管中的一种或几种任意比例组合；也就是可以只有一种，也可以是任意的两种、三种……，也可以是所有的种类都有，则总份数是5份～35份。
粘结剂，5份～35份；粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸和环糊精中的一种或几种任意比例组合。也就是可以只有一种，也可以是任意的两种、三种……，也可以是所有的种类都有，则总份数是5份～35份。
同时，导电剂的量不大于复合材料总量的30％。粘结剂的量不大于复合材料总量的30％。可以很好地保证导电性能的同时保证材料的强度。
本例中，所述的集流体的材料为铜、铝、镍、不锈钢、碳、石墨、导电高分子材料、石墨烯、碳纳米管、碳纤维或碳凝胶。
实施例二
如图1所示，一种超级电容器，包括正极1、负极2、隔膜3和电解质4，所述的隔膜3设于正极1与负极2间，正极1与隔膜3间填充电解质4；负极2与隔膜3间填充电解质4；所述的正极1和/或负极2采用实施例一所述的复合电极，一般是正极1选用复合电极，而负极2可以直接选取集流体本身的材料，如铜、铝、镍、不锈钢、碳、石墨、导电高分子材料、石墨烯、碳纳米管、碳纤维或碳凝胶。当然也可以是正极1和负极2均采用复合电极。
本例中，所述的所述隔膜3为聚丙烯微孔膜，聚乙烯微孔膜、聚乙烯-聚丙烯复合膜、聚偏氟丙烯微孔膜、聚偏氟乙烯微孔膜、聚偏氟乙烯-聚偏氟丙烯复合膜、纸隔膜、陶瓷隔膜或无纺布隔膜。电解质4选取现有技术中的电解质4即可。
在本例中，所述超级电容器电极以层叠或绕卷方式组装成方形，圆柱形，扣式或片状中的任意一种，也可以组装成其他不规则形状。如图2所示，本发明所述的超级电容器循环伏安曲线图，该超级电容器具有优异的充放电性能。超级电容器具有高比容量，高比能量和高循环稳定性，高倍率性能和高安全性等优点，可广泛应用与电子通信，交通运输，能量存储等多种领域。
实施例三
一种超级电容器的制备方法，包括：
步骤A、正极1和/或负极2的复合电极材料的制备，按比例取复合材料并充分混合成浆料，将浆料涂覆于集流体表面，制成正极1和/或负极2的复合电极材料；
这里所述的涂覆包括浸渍、涂布、喷涂、电沉积、打印或印刷。涂覆技术与现有技术相同。
步骤B、超级电容器的组装，在正极1与负极2间设置隔膜4，填充电解质，以叠片或绕卷的方式组装成超级电容器。组装方式与现有的组装方式相同。
实施例四
制备复合电极，将7g黑磷，1g聚噻吩，0.5g乙炔黑和1.5g聚四氟乙烯搅拌后涂覆于铜箔上，裁剪成一定尺寸的复合电极片并真空干燥至恒重，将此复合电极片作为正极1，以石墨烯为负极2；
然后将硫酸，硫酸锌溶于水中，配成0.01mol/L，PH值为0.1的溶液，并将此溶液作为电解质，再组装成超级电容器。
实施例五
制备复合电极，将7g磷烯，1.5g碳纳米管和1.5g聚偏四氟乙烯搅拌后涂覆于铝箔上，裁剪成一定尺寸的复合电极片并真空干燥至恒重，将此复合电极片作为正极1，以石墨为负极2；
然后将氯化钠溶于水中，配成0.01mol/L的溶液，并将此溶液作为电解质，再组装成超级电容器。
实施例六
制备复合电极，将7g黑磷，1g二氧化锰，1g碳凝胶和1g羧甲基纤维素搅拌后涂覆于镍箔上，裁剪成一定尺寸的复合电极片并真空干燥至恒重，将此复合电极片作为正极1，以碳纤维为负极2；
然后将乙酸锌溶于体积比为2:1的碳酸丙烯酯和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液，配成0.01mol/L的溶液，并将此溶液作为电解质，再组装成超级电容器。
实施例七
制备复合电极，将7g磷烯，1g聚苯胺，1g二氧化锰，0.5g石墨和0.5g羧甲基纤维素搅拌后涂覆于铝箔上，裁剪成一定尺寸的复合电极片并真空干燥至恒重，将此复合电极片作为正极1，以聚苯胺为负极2；
然后将硫酸锌溶于N,N-二甲基甲酰胺，配成0.05mol/L的溶液，并将此溶液作为电解质，再组装成超级电容器。
实施例八
制备复合电极，将7g磷烯，1g碳纤维，1g聚喹啉和0.5g聚丙烯酸搅拌后涂覆于不锈钢片上，裁剪成一定尺寸的复合电极片并真空干燥至恒重，将此复合电极片同时作为正极1和负极2；
然后将高氯酸锂溶于碳酸丙烯酯，配成0.01mol/L的溶液，并将此溶液作为电解质，再组装成超级电容器。
本发明实施例所提供的超级电容器具有高容量密度，高功率密度，和优良循环稳定性等特点，可广泛应用于电子、通信，交通运输等不同领域。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种复合电极，包括集流体，其特征在于，在所述的集流体外表面设有复合材料层；
所述的复合材料包括以下材料组分充分混合，且其重量份之比为：
半导体材料，10份～70份
导电基体材料，10份～70份
导电粘结剂，10份～70份
2.根据权利要求1所述的复合电极，其特征在于，所述的半导体材料包括黑磷或磷烯的一种或两种任意比例组合。
3.根据权利要求1所述的复合电极，其特征在于，所述的导电基体材料包括导电高分子材料、具有赝电容性质的金属氧化物或碳活性材料中的一种或几种任意比例组合。
4.根据权利要求3所述的复合电极，其特征在于，所述的导电高分子材料包括聚苯胺及其衍生物、聚吡咯及其衍生物、聚噻吩及其衍生物、聚苯乙烯及其衍生物、聚吡啶及其衍生物、聚喹啉及其衍生物或聚对苯及其衍生物中的一种或几种任意比例组合；
或者，
所述的具有赝电容性质的金属氧化物包括锰、镍、钒、钴或钌的氧化物中的一种或几种任意比例组合；
或者，
所述碳活性材料包括石墨、石墨烯、碳纳米管、软碳、硬碳、碳纤维、碳凝胶或活性炭中的一种或几种任意比例组合，以及，功能化的石墨、功能化的石墨烯、功能化的碳纳米管、功能化的软碳、功能化的硬碳、功能化的碳纤维、功能化的碳凝胶、功能化的活性炭中的一种或几种任意比例组合。
5.根据权利要求1所述的复合电极，其特征在于，所述的导电粘结剂包括导电剂和粘结剂，其中：
导电剂，5份～35份；导电剂包括石墨、乙炔黑、炭黑、碳纤维、石墨烯、软碳、硬碳和碳纳米管中的一种或几种任意比例组合；
粘结剂，5份～35份；粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸和环糊精中的一种或几种任意比例组合。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的复合电极，其特征在于，所述的集流体的材料为铜、铝、镍、不锈钢、碳、石墨、导电高分子材料、石墨烯、碳纳米管、碳纤维或碳凝胶。
7.一种超级电容器，包括正极(1)、负极(2)、隔膜(3)和电解质(4)，所述的隔膜(3)设于正极(1)与负极(2)间，正极(1)与隔膜(3)间填充电解质(4)；负极(2)与隔膜(3)间填充电解质(4)；其特征在于，所述的正极(1)和/或负极(2)采用权利要求1至6任意一项所述的复合电极。
8.根据权利要求6所述的超级电容器，其特征在于，所述的所述隔膜(3)为聚丙烯微孔膜，聚乙烯微孔膜、聚乙烯-聚丙烯复合膜、聚偏氟丙烯微孔膜、聚偏氟乙烯微孔膜、聚偏氟乙烯-聚偏氟丙烯复合膜、纸隔膜、陶瓷隔膜或无纺布隔膜。
9.一种超级电容器的制备方法，其特征在于，包括：
步骤A、正极(1)和/或负极(2)的复合电极材料的制备，按比例取复合材料并充分混合成浆料，将浆料涂覆于集流体表面，制成正极(1)和/或负极(2)的复合电极材料；
步骤B、超级电容器的组装，在正极(1)与负极(2)间设置隔膜(4)，填充电解质，以叠片或绕卷的方式组装成超级电容器。
10.根据权利要求9所述的超级电容器的制备方法，其特征在于，所述的步骤A的涂覆包括浸渍、涂布、喷涂、电沉积、打印或印刷。
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