CN106710883B - 一种无线充电超级电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线充电超级电容器，包括正电极、负电极、设置在正电极和负电极之间的隔膜、电解液、封装外壳和充电模块，所述充电模块包括无线接收器以及无线发射器，所述无线接收器安装于所述正电极和负电极的预设位置，所述预设位置适于所述无线发射器向所述无线接收器提供无线电信号，所述无线发射器可控制地电连接于外部电源，通过对所述充电模块的通断，实现无线充电；本发明还提供一种新型N/F共掺杂碳材料作电极的超级电容器的制备方法，制备得到的超级电容器可实现无线充电、具有较高的功率密度和能量密度，且循环寿命较长。
Description
技术领域
本发明属于新能源新材料技术领域，涉及一种超级电容器及其制备方法，具体涉及一种无线充电超级电容器及其制备方法。
背景技术
随着经济社会的发展，人们对能源问题和环境问题的认识愈来愈深入，对清洁新型能源的需求越来越多。作为一种新型储能器件，超级电容器由于其循环寿命长、功率密度高、环保、安全等优点，引起了人们的强烈关注，被广泛应用于移动通信、电动汽车、消费电子、航空、军事等领域，是新一代清洁新能源装置的代表。
超级电容器的性能与电极材料、电解液及其使用的隔膜有关，而电极材料是其中最主要的因素，因为电极材料性能的好坏直接决定超级电容器的循环性能的好坏和容量大小。目前最常用的电极材料是碳材料，其具有良好的导电性、比表面积高、密度低、孔道结构可控、价格便宜、抗化学腐蚀性能好，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。
现有技术中，超级电容器的充电触点外露，但是，由于触点会因为变形、弹性失效、生锈或异物等因素造成充电接触不良，影响充电效果，同时，也容易造成安全事故，存在一定的安全隐患。
因此，开发一种循环寿命长、功率密度和能量密度高的无线充电超级电容器有着广泛的市场价值和应用前景，是推动超级电容器商业化应用的关键技术。
发明内容
为克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种无线充电超级电容器及其制备方法。该超级电容器制备方法简单、价格低廉、具有较高的功率密度和能量密度，且循环寿命较长。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无线充电超级电容器，包括正电极、负电极、设置在正电极和负电极之间的隔膜、电解液、封装外壳和充电模块，所述充电模块包括无线接收器以及无线发射器，所述无线接收器安装于所述正电极和负电极的预设位置，所述预设位置适于所述无线发射器向所述无线接收器提供无线电信号，所述无线发射器可控制地电连接于外部电源，通过对所述充电模块的通断，实现无线充电；
所述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；所述封装外壳为塑料封装外壳或金属封装外壳；
所述正电极和负电极材料均为氮氟共掺杂碳材料；所述隔膜为多孔的Celgard膜、无纺布、纤维素隔膜、超细玻璃棉多孔隔膜，聚丙烯隔膜或乙烯-乙烯醇共聚物纤维隔膜；
所述电解液为四氟硼酸胺的乙腈的溶液，电解液的溶质质量分数为80-90％，所述四氟硼酸胺选自四氟硼酸甲基三乙基胺、四氟硼酸四乙基胺、四氟硼酸三甲基乙基胺或四氟硼酸二甲基二乙基胺中的一种或几种；
一种无线充电超级电容器的制备方法，包括如下步骤：
1)氟氮碳源的制备：将乙烯基二茂铁、四氟乙烯、2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、乳化剂按比例混合均匀，滴在玻璃制成的模具内，放入在惰性氛围下的钴60-γ场内，采用辐射源辐照40-50分钟使其发生辐射自由基聚合反应；
2)初始碳化：将步骤1)中制备得到的氟氮碳源在惰性气体氛围保护下，于400℃～500℃下碳化2～4小时，得到初始碳化的氮氟共掺杂碳材料；
3)碳材料活化：将步骤2)中制备得到的初始碳化的氮氟共掺杂碳材料浸泡在60-80℃下质量分数为50-60％的磷酸溶液中40-50小时，取出用去离子水洗涤过滤，真空干燥，后按质量比为1:2在产物中加入KOH，并混合均匀；
4)碳化：将步骤3)中用KOH活化的氮氟共掺杂碳材料，在惰性气体氛围保护下，于800℃～1000℃下碳化4小时得到氮氟共掺杂碳材料；
5)正、负电极的制备：按质量比9:2:1:5的比例分别称取氮氟共掺杂碳材料、乙炔黑、PTFE乳液、乙醇，混合，超声1小时使其形成均匀的浆料。接着将浆料转移至辊压机上制成薄片，取适量置于1cm×1cm集流体上，在10MPa压力下压制成正、负电极。最后将该正、负电极放入真空烘箱，在110-120℃下烘干，待用；
6)超级电容器组装：将上述步骤中制备得到的正负电极上涂敷导电胶，引出导线，导线上安装无线接收器，然后将其与隔膜、电解液一起封装在外壳里，得到超级电容器；
其中，步骤1)中所述乙烯基二茂铁、四氟乙烯、2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、乳化剂的质量之比为3:1:2:0.1；所述乳化剂选自十二烷基苯磺酸钠、聚氧丙烯聚乙烯甘油醚、壬基酚聚氧乙烯醚；
所述惰性氛围为氮气氛围、氩气氛围、氦气氛围、氖气氛围中的一种或几种；
所述集流体为泡沫镍、冲孔镀镍钢带、钢带或不锈钢网中的一种或几种；
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
(1)本发明提供的无线充电超级电容器制备方法简单，对设备要求不高；
(2)本发明提供的无线充电超级电容器，循环寿命长、功率密度和能量密度高；
(3)本发明提供的无线充电超级电容器，电极材料采用新的碳源，并同时掺杂N/F，有利于提高超级电容器循环寿命和能量密度；先将二茂铁引入到大分子中，后通过初始碳化、酸处理、碳化等步骤制备得到的电极材料比表面积大，有利于提高超级电容器的容量和功率密度；
(4)本发明提供的无线充电超级电容器，利用无线发射与接收技术，实现了无线充电，避免了充电触点外露，由于触点变形、弹性失效、生锈或异物等因素造成的充电接触不良及可能引起的安全事故。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明产品作进一步详细的说明。
本实施例中所使用到的原料来自于国药集团化学试剂有限公司。
实施例1：
一种无线充电超级电容器，包括氮氟共掺杂碳材料制得的正电极、氮氟共掺杂碳材料制得的负电极、设置在正电极和负电极之间的多孔的Celgard膜、溶质质量分数为80％的四氟硼酸甲基三乙基胺的乙腈溶液、封装外壳和充电模块，所述充电模块包括无线接收器以及无线发射器，所述无线接收器安装于所述正电极和负电极的预设位置，所述预设位置适于所述无线发射器向所述无线接收器提供无线电信号，所述无线发射器可控制地电连接于外部电源，通过对所述充电模块的通断，实现无线充电；
所述超级电容器的外形是纽扣型；电极形式是叠层形式；所述封装外壳为塑料封装外壳；
一种无线充电超级电容器的制备方法，包括如下步骤：
1)氟氮碳源的制备：将乙烯基二茂铁300g、四氟乙烯100g、2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪200g、十二烷基苯磺酸钠10g混合均匀，滴在玻璃制成的模具内，放入在惰性氛围下的钴60-γ场内，采用辐射源辐照40分钟使其发生辐射自由基聚合反应；
2)初始碳化：将步骤1)中制备得到的氟氮碳源在氮气氛围保护下，于400℃下碳化2小时，得到初始碳化的氮氟共掺杂碳材料；
3)碳材料活化：将步骤2)中制备得到的初始碳化的氮氟共掺杂碳材料浸泡在60℃下质量分数为50％的磷酸溶液中40小时，取出用去离子水洗涤过滤，在真空中100℃下干燥24小时，后称取产物200g，再在产物中加入KOH 400g，并混合均匀；
4)碳化：将步骤3)中用KOH活化的氮氟共掺杂碳材料，在氮气氛围保护下，于800℃下碳化4小时得到氮氟共掺杂碳材料；
5)正、负电极的制备：分别称取90g氮氟共掺杂碳材料、20g乙炔黑、10g PTFE乳液、50g乙醇，混合，超声1小时使其形成均匀的浆料。接着将浆料转移至辊压机上制成薄片，取适量置于1cm×1cm泡沫镍上，在10MPa压力下压制成正、负电极。最后将该正、负电极放入真空烘箱，在110℃下烘干，待用；
6)超级电容器组装：将上述步骤中制备得到的正负电极上涂敷导电胶，引出导线，导线上安装无线接收器，然后将其与多孔的Celgard膜、溶质质量分数为80％的四氟硼酸甲基三乙基胺的乙腈溶液一起封装在外壳里，得到超级电容器；
经采用新威CT-3008型高精度电池/电容性能测试系统采用恒流充放电模式进行充放电性能测试，本实施例提供的超级电容器电流密度为100mA/g；电压范围为0.8～1.9V，测试温度为22±1℃时，在0.8～1.9V范围内呈现对称性良好的锯齿形曲线，极间电压与时间呈现近乎线性的变化，说明其可逆性好；在电压范围为0.8～1.9V，充放电电流为200mA/g，测试温度为22±1℃时循环性能很稳定，另外，测得此超级电容的比能量可高达48Wh/kg。
实施例2
一种无线充电超级电容器，包括氮氟共掺杂碳材料制得的正电极、氮氟共掺杂碳材料制得的负电极、设置在正电极和负电极之间的无纺布、溶质质量分数为85％的四氟硼酸四乙基胺的乙腈溶液、封装外壳和充电模块，所述充电模块包括无线接收器以及无线发射器，所述无线接收器安装于所述正电极和负电极的预设位置，所述预设位置适于所述无线发射器向所述无线接收器提供无线电信号，所述无线发射器可控制地电连接于外部电源，通过对所述充电模块的通断，实现无线充电；
所述超级电容器的外形是方型；电极形式是卷绕形式；所述封装外壳为金属封装外壳；
一种无线充电超级电容器的制备方法，包括如下步骤：
1)氟氮碳源的制备：将乙烯基二茂铁300g、四氟乙烯100g、2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪200g、聚氧丙烯聚乙烯甘油醚10g混合均匀，滴在玻璃制成的模具内，放入在氩气氛围下的钴60-γ场内，采用辐射源辐照45分钟使其发生辐射自由基聚合反应；
2)初始碳化：将步骤1)中制备得到的氟氮碳源在氩气氛围保护下，于420℃下碳化2.5小时，得到初始碳化的氮氟共掺杂碳材料；
3)碳材料活化：将步骤2)中制备得到的初始碳化的氮氟共掺杂碳材料浸泡在65℃下质量分数为55％的磷酸溶液中45小时，取出用去离子水洗涤过滤，在真空中110℃下干燥24小时，称取产物100g，在产物中加入KOH 200g，并混合均匀；
4)碳化：将步骤3)中用KOH活化的氮氟共掺杂碳材料，在氖气氛围保护下，于850℃下碳化4小时得到氮氟共掺杂碳材料；
5)正、负电极的制备：分别称取90g氮氟共掺杂碳材料、20g乙炔黑、10gPTFE乳液、50g乙醇，混合，超声1小时使其形成均匀的浆料。接着将浆料转移至辊压机上制成薄片，取适量置于1cm×1cm冲孔镀镍钢带上，在10MPa压力下压制成正、负电极。最后将该正、负电极放入真空烘箱，在115℃下烘干，待用；
6)超级电容器组装：将上述步骤中制备得到的正负电极上涂敷导电胶，引出导线，导线上安装无线接收器，然后将其与无纺布、溶质质量分数为85％的四氟硼酸四乙基胺的乙腈溶液一起封装在外壳里，得到超级电容器；
实施例3
一种无线充电超级电容器，包括氮氟共掺杂碳材料制得的正电极、氮氟共掺杂碳材料制得的负电极、设置在正电极和负电极之间的纤维素隔膜、溶质质量分数为82％的四氟硼酸三甲基乙基胺的乙腈溶液、封装外壳和充电模块，所述充电模块包括无线接收器以及无线发射器，所述无线接收器安装于所述正电极和负电极的预设位置，所述预设位置适于所述无线发射器向所述无线接收器提供无线电信号，所述无线发射器可控制地电连接于外部电源，通过对所述充电模块的通断，实现无线充电；
所述超级电容器的外形是圆柱型；电极形式是叠层形式；所述封装外壳为塑料封装外壳；
一种无线充电超级电容器的制备方法，包括如下步骤：
1)氟氮碳源的制备：将乙烯基二茂铁300g、四氟乙烯100g、2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪200g、壬基酚聚氧乙烯醚10g混合均匀，滴在玻璃制成的模具内，放入在氦气氛围下的钴60-γ场内，采用辐射源辐照42分钟使其发生辐射自由基聚合反应；
2)初始碳化：将步骤1)中制备得到的氟氮碳源在氖气氛围保护下，于460℃下碳化3小时，得到初始碳化的氮氟共掺杂碳材料；
3)碳材料活化：将步骤2)中制备得到的初始碳化的氮氟共掺杂碳材料浸泡在70℃下质量分数为56％的磷酸溶液中48小时，取出用去离子水洗涤过滤，在真空中100℃下干燥24小时，后称取产物100g，在产物中加入KOH 200g，并混合均匀；
4)碳化：将步骤3)中用KOH活化的氮氟共掺杂碳材料，在氖气氛围保护下，于900℃下碳化4小时得到氮氟共掺杂碳材料；
5)正、负电极的制备：称取90g氮氟共掺杂碳材料、20g乙炔黑、10g PTFE乳液、50g乙醇，混合，超声1小时使其形成均匀的浆料。接着将浆料转移至辊压机上制成薄片，取适量置于1cm×1cm钢带上，在10MPa压力下压制成正、负电极。最后将该正、负电极放入真空烘箱，在114℃下烘干，待用；
6)超级电容器组装：将上述步骤中制备得到的正负电极上涂敷导电胶，引出导线，导线上安装无线接收器，然后将其与纤维素隔膜、溶质质量分数为82％的四氟硼酸三甲基乙基胺的乙腈溶液一起封装在外壳里，得到超级电容器；
实施例4
一种无线充电超级电容器，包括氮氟共掺杂碳材料制得的正电极、氮氟共掺杂碳材料制得的负电极、设置在正电极和负电极之间的超细玻璃棉多孔隔膜、溶质质量分数为88％的四氟硼酸二甲基二乙基胺的乙腈溶液、封装外壳和充电模块，所述充电模块包括无线接收器以及无线发射器，所述无线接收器安装于所述正电极和负电极的预设位置，所述预设位置适于所述无线发射器向所述无线接收器提供无线电信号，所述无线发射器可控制地电连接于外部电源，通过对所述充电模块的通断，实现无线充电；
所述超级电容器的外形是纽扣型；电极形式是卷绕形式；所述封装外壳为塑料封装外壳；
一种无线充电超级电容器的制备方法，包括如下步骤：
1)氟氮碳源的制备：将乙烯基二茂铁300g、四氟乙烯100g、2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪200g、十二烷基苯磺酸钠10g混合均匀，滴在玻璃制成的模具内，放入在氮气氛围下的钴60-γ场内，采用辐射源辐照48分钟使其发生辐射自由基聚合反应；
2)初始碳化：将步骤1)中制备得到的氟氮碳源在氦气氛围保护下，于480℃下碳化3.4小时，得到初始碳化的氮氟共掺杂碳材料；
3)碳材料活化：将步骤2)中制备得到的初始碳化的氮氟共掺杂碳材料浸泡在72℃下质量分数为56％的磷酸溶液中47小时，取出用去离子水洗涤过滤，在真空中100℃下干燥24h，后称取产物100g，再在产物中加入KOH 200g，并混合均匀；
4)碳化：将步骤3)中用KOH活化的氮氟共掺杂碳材料，在氖气氛围保护下，于960℃下碳化4小时得到氮氟共掺杂碳材料；
5)正、负电极的制备：分别称取90g氮氟共掺杂碳材料、20g乙炔黑、10g PTFE乳液、50g乙醇，混合，超声1小时使其形成均匀的浆料。接着将浆料转移至辊压机上制成薄片，取适量置于1cm×1cm不锈钢网上，在10MPa压力下压制成正、负电极。最后将该正、负电极放入真空烘箱，在117℃下烘干，待用；
6)超级电容器组装：将上述步骤中制备得到的正负电极上涂敷导电胶，引出导线，导线上安装无线接收器，然后将其与超细玻璃棉多孔隔膜、溶质质量分数为88％的四氟硼酸二甲基二乙基胺的乙腈溶液一起封装在外壳里，得到超级电容器；
实施例5
一种无线充电超级电容器，包括氮氟共掺杂碳材料制得的正电极、氮氟共掺杂碳材料制得的负电极、设置在正电极和负电极之间的聚丙烯隔膜、溶质质量分数为90％的四氟硼酸甲基三乙基胺的乙腈溶液、封装外壳和充电模块，所述充电模块包括无线接收器以及无线发射器，所述无线接收器安装于所述正电极和负电极的预设位置，所述预设位置适于所述无线发射器向所述无线接收器提供无线电信号，所述无线发射器可控制地电连接于外部电源，通过对所述充电模块的通断，实现无线充电；
所述超级电容器的外形是方型；电极形式是叠层形式；所述封装外壳为塑料金属封装外壳；
一种无线充电超级电容器的制备方法，包括如下步骤：
1)氟氮碳源的制备：将乙烯基二茂铁300g、四氟乙烯100g、2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪200g、聚氧丙烯聚乙烯甘油醚10g混合均匀，滴在玻璃制成的模具内，放入在氩气氛围下的钴60-γ场内，采用辐射源辐照50分钟使其发生辐射自由基聚合反应；
2)初始碳化：将步骤1)中制备得到的氟氮碳源在氮气氛围保护下，于500℃下碳化4小时，得到初始碳化的氮氟共掺杂碳材料；
3)碳材料活化：将步骤2)中制备得到的初始碳化的氮氟共掺杂碳材料浸泡在80℃下质量分数为60％的磷酸溶液中50小时，取出用去离子水洗涤过滤，在真空中100℃下干燥24h，后称取产物100g，再在产物中加入KOH 200g，并混合均匀；
4)碳化：将步骤3)中用KOH活化的氮氟共掺杂碳材料，在氦气氛围保护下，于1000℃下碳化4小时得到氮氟共掺杂碳材料；
5)正、负电极的制备：分别称取90g氮氟共掺杂碳材料、20g乙炔黑、10g PTFE乳液、50g乙醇，混合，超声1小时使其形成均匀的浆料。接着将浆料转移至辊压机上制成薄片，取适量置于1cm×1cm泡沫镍上，在10MPa压力下压制成正、负电极。最后将该正、负电极放入真空烘箱，在120℃下烘干，待用；
6)超级电容器组装：将上述步骤中制备得到的正负电极上涂敷导电胶，引出导线，导线上安装无线接收器，然后将其与聚丙烯隔膜、溶质质量分数为90％的四氟硼酸甲基三乙基胺的乙腈溶液一起封装在外壳里，得到超级电容器；
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种无线充电超级电容器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)氟氮碳源的制备：将乙烯基二茂铁、四氟乙烯、2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、乳化剂按比例混合均匀，滴在玻璃制成的模具内，放入在惰性氛围下的钴60-γ场内，采用辐射源辐照40-50分钟使其发生辐射自由基聚合反应；
2)初始碳化：将步骤1)中制备得到的氟氮碳源在惰性气体氛围保护下，于400℃～500℃下碳化2～4小时，得到初始碳化的氮氟共掺杂碳材料；
3)碳材料活化：将步骤2)中制备得到的初始碳化的氮氟共掺杂碳材料浸泡在60-80℃下质量分数为50-60％的磷酸溶液中40-50小时，取出用去离子水洗涤过滤，真空干燥，后按质量比为1:2在产物中加入KOH，并混合均匀；
4)碳化：将步骤3)中用KOH活化的氮氟共掺杂碳材料，在惰性气体氛围保护下，于800℃～1000℃下碳化4小时得到氮氟共掺杂碳材料；
5)正、负电极的制备：按质量比9:2:1:5的比例分别称取氮氟共掺杂碳材料、乙炔黑、PTFE乳液、乙醇，混合，超声1小时使其形成均匀的浆料； 接着将浆料转移至辊压机上制成薄片，取适量置于1cm×1cm集流体上，在10MPa压力下压制成正、负电极；最后将该正、负电极放入真空烘箱，在110-120℃下烘干，待用；
6)超级电容器组装：将上述步骤中制备得到的正负电极上涂敷导电胶，引出导线，导线上安装无线接收器，然后将其与隔膜、电解液一起封装在外壳里，得到超级电容器；
其中，步骤1)中所述乙烯基二茂铁、四氟乙烯、2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、乳化剂的质量之比为3:1:2:0.1。
2.根据权利要求1所述的无线充电超级电容器的制备方法，其特征在于：所述乳化剂选自十二烷基苯磺酸钠、聚氧丙烯聚乙烯甘油醚、壬基酚聚氧乙烯醚。
3.根据权利要求1所述的无线充电超级电容器的制备方法，其特征在于：所述惰性氛围为氮气氛围、氩气氛围、氦气氛围、氖气氛围中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的无线充电超级电容器的制备方法，其特征在于：所述集流体为泡沫镍、冲孔镀镍钢带、钢带或不锈钢网中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的无线充电超级电容器的制备方法，其特征在于：所述隔膜为多孔的Celgard膜、无纺布、纤维素隔膜、超细玻璃棉多孔隔膜，聚丙烯隔膜或乙烯-乙烯醇共聚物纤维隔膜一种或几种。
6.根据权利要求1所述的无线充电超级电容器的制备方法，其特征在于：所述电解液为溶质质量分数为80-90％四氟硼酸胺的乙腈的溶液。
7.根据权利要求6所述的无线充电超级电容器的制备方法，其特征在于：所述四氟硼酸胺选自四氟硼酸甲基三乙基胺、四氟硼酸四乙基胺、四氟硼酸三甲基乙基胺或四氟硼酸二甲基二乙基胺中的一种或几种。
8.一种采用权利要求1-7任一项所述的无线充电超级电容器的制备方法制备得到的无线充电超级电容器，其特征在于：包括正电极、负电极、设置在正电极和负电极之间的隔膜、电解液、封装外壳和充电模块，所述充电模块包括无线接收器以及无线发射器，所述无线接收器安装于所述正电极和负电极的预设位置，所述预设位置适于所述无线发射器向所述无线接收器提供无线电信号，所述无线发射器可控制地电连接于外部电源，通过对所述充电模块的通断，实现无线充电。
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