CN107221456A - 一种航空用掺镍碳基超级电容及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种航空用掺镍碳基超级电容及其制备方法，所述的制备方法，包括步骤1，制备泡沫铝超级电容集流体；步骤2，以活性炭粉末为碳质原料，煤焦油为粘结剂，硝酸镍为催化剂，制备掺镍活性炭；步骤3，将掺镍活性炭均匀的涂抹在泡沫铝超级电容集流体上，得到超级电容电极片；步骤4，将电解质盐EMIAsF6加入PC和AN的混合物中，得到电解液；其中，PC和AN的混合物中PC的摩尔百分数为20％‑40％；步骤5，用所述电解液浸泡超级电容隔膜，在两片超级电容电极片之间插入浸泡过的超级电容隔膜后，封装超级电容，并注入所述电解液，得到本发明所述的航空用掺镍碳基超级电容；工作温度范围宽、工作电压高。

Description

一种航空用掺镍碳基超级电容及其制备方法
技术领域
本发明涉及超级电容技术领域，具体为一种航空用掺镍碳基超级电容及其制备方法。
背景技术
超级电容器是一种介于二次电池和传统物理电容器之间的新型能源器件，兼有电容和电池的双重功能，其功率密度远高于普通电池(10～100倍)，能量密度远高于传统物理电容(>100倍)，与传统电容器相比，超级电容器存储的能量密度为传统电容器的10倍以上；与电池相比，具有更高的功率密度、充放电时间短、充放电效率高、循环使用寿命长等优点。
超级电容可以作为便携式仪器设备或数据记忆存储系统的后备电源以及作为电动汽车的储能部件或内燃机车的启动电源在通信、工业等领域广泛应用，也可以作为高脉冲电流发生器在航空、航天、国防等方面发挥重要作用。但是，传统超级电容在使用时对环境温度要求较高，不适合在低温环境下使用，并且工作电压一般不超过2V。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种航空用掺镍碳基超级电容及其制备方法，通过本发明提供的航空用掺镍碳基超级电容制备方法所制备的航空用掺镍碳基超级电容工作温度范围宽、工作电压高。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种航空用掺镍碳基超级电容制备方法，包括如下步骤：
步骤1，制备泡沫铝超级电容集流体；
步骤2，以活性炭粉末为碳质原料，煤焦油为粘结剂，硝酸镍为催化剂，制备掺镍活性炭；
步骤3，将掺镍活性炭均匀的涂抹在泡沫铝超级电容集流体上，得到超级电容电极片；
步骤4，将电解质盐EMIAsF6加入PC和AN的混合物中，得到电解液；其中，PC和AN的混合物中PC的摩尔百分数为20％-40％；
步骤5，用所述电解液浸泡超级电容隔膜，在两片超级电容电极片之间插入浸泡过的超级电容隔膜后，封装超级电容，并注入所述电解液，得到航空用掺镍碳基超级电容。
优选的，所述的步骤1具体包括如下步骤，
步骤11，将泡沫铝切割之后，通过电火花打碳机去除泡沫铝表面的氧化膜，得到第一泡沫铝；
步骤12，将所述第一泡沫铝放入1mol/L的NaOH溶液中浸泡1h，除去油污，得到第二泡沫铝；
步骤13，将所述第二泡沫铝放入超声波清洗机中用去离子水洗涤10min，得到第三泡沫铝；
步骤14，将所述第三泡沫铝放入干燥箱中，以100mL/min的速度通入氮气，干燥10min制得泡沫铝超级电容集流体。
优选的，所述的步骤2具体包括如下步骤，
步骤21，以活性炭粉末为碳质原料，煤焦油为粘结剂，硝酸镍为催化剂，加入蒸馏水，在研钵中充分搅拌，得到第一混合物；活性炭粉末、煤焦油和硝酸镍的质量比为4:1:1；
步骤22，将所述第一混合物挤压成型，并干燥，得到第二混合物；
步骤23，将所述第二混合物放入800℃的电阻炉中碳化1h后，用900℃的水蒸气作为活化剂活化2h，得到掺镍活性炭。
优选的，所述的步骤3具体包括如下步骤，
步骤31，将所述掺镍活性炭放置冷却后，用研钵研磨，并用300目筛网筛出AC粉末；
步骤32，以AB为导电剂，PTFE为粘结剂，按照AC:AB:PTFE＝8:1:1的质量比例混合，得到电极材料混合物；
步骤33，将电极材料混合物均匀涂抹在泡沫铝超级电容集流体上，放入100℃的干燥箱干燥1h，得到预制超级电容电极片；
步骤34，通过辊压机，在10MPa的压力下，将预制超级电容电极片压实，得到超级电容电极片。
优选的，步骤4中，得到的电解液中EMIAsF6的浓度为2mol/L。
进一步，按照PC：AN：EMIAsF6＝2.5ml：5ml：1g的比例在手套箱中制备电解液。
优选的，所述的步骤5具体包括如下步骤，
步骤51，将超级电容隔膜在电解液中浸泡1h；
步骤52，将两个超级电容电极片相对设置，在两个超级电容电极片之间插入浸泡过的超级电容隔膜，得到预制超级电容；
步骤53，在所述预制超级电容外部包裹铝塑薄膜，用塑料薄膜封口机和电热封口机进行封装，并注入所述电解液。
进一步，所述超级电容隔膜为聚丙烯薄膜。
一种航空用掺镍碳基超级电容，通过本所述任一制备方法所制备，包括密封设置的超级电容壳体、封装在超级电容壳体内的泡沫铝超级电容集流体、超级电容隔膜、掺镍活性炭和电解液；将掺镍活性炭均匀的涂抹在泡沫铝超级电容集流体上形成超级电容电极片，两个相对设置的超级电容电极片中插入超级电容隔膜；电解液填充在超级电容壳体内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明使用有机电解液EMIAsF6/PC+AN，将航空用掺镍碳基超级电容的工作电压提升至3V，并且能够在零下40度的环境中工作，相比水系电解液提高了超级电容器的工作电压和适用温度范围，并且避免了水性电解液存在的易泄露的问题和“爬碱”现象；
进一步的，采用泡沫铝制备超级电容集流体，相比于传统超级电容用泡沫镍或者不锈钢网作集流体，本发明提供的泡沫铝超级电容集流体具有质量轻，比表面积大，不易燃烧且有较好的耐热性、耐腐蚀性和耐机械冲击性能；
进一步的，将用硝酸镍做催化剂处理的活性炭粉末作为电极。用硝酸镍做催化剂处理过的活性炭粉末比表面积大，粉末孔径以中孔为主。在电极与电解液界面，不光有双电层电容的存在，更因为NiO的存在，还会在界面处产生法拉第准电容。而法拉第准电容要比双电层电容大的多，所以用硝酸镍做催化剂处理的活性炭粉末作为电极制作的超级电容，比电容要大的多。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种超级电容的结构示意图。
图中：1.超级电容壳体、2.泡沫铝超级电容集流体、3.超级电容隔膜、4.掺镍活性炭、5.电解液。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
一种航空用掺镍碳基超级电容制备方法，包括如下步骤：
步骤1，制备泡沫铝超级电容集流体；
其中，在制备泡沫铝超级电容集流体时，首先，将泡沫铝切割为指定尺寸，该指定尺寸为泡沫铝超级电容集流体在实际应用中所需要的尺寸；然后通过电火花打碳机去除泡沫铝表面的氧化膜，得到第一泡沫铝；将所述第一泡沫铝放入1mol/L的NaOH溶液中浸泡1h，除去油污，得到第二泡沫铝；将所述第二泡沫铝放入超声波清洗机中用去离子水洗涤10min，得到第三泡沫铝；最后，将所述第三泡沫铝放入干燥箱中，以100mL/min的速度通入氮气，干燥10min制得泡沫铝超级电容集流体。
通常超级电容用泡沫镍或者不锈钢网作集流体。由于泡沫镍和不锈钢网的质量密度比泡沫铝大的多，因此用这两种材料做集流体的超级电容，比电容要比用泡沫铝做集流体的超级电容小，并且泡沫铝超级电容集流体质量轻，比表面积大，不易燃烧且有较好的耐热性和耐腐蚀性，耐机械冲击。
步骤2，以活性炭粉末为碳质原料，煤焦油为粘结剂，硝酸镍为催化剂，制备掺镍活性炭；
其中，以活性炭粉末为碳质原料，煤焦油为粘结剂，硝酸镍为催化剂，加入蒸馏水，在研钵中充分搅拌，得到第一混合物；其中，活性炭粉末、煤焦油和硝酸镍三者的质量比为8:2:2；将第一混合物挤压成型，并干燥，得到第二混合物；将第二混合物放入电阻炉中碳化1h后，用900℃的水蒸气作为活化剂活化2h，得到掺镍活性炭，其中，电阻炉温度设置为800℃。
步骤3，将掺镍活性炭均匀的涂抹在泡沫铝超级电容集流体上，得到超级电容电极片；
其中，首先将掺镍活性炭放置冷却后，用研钵研磨，并用300目筛网筛出AC(掺镍活性炭)粉末；以AB(乙炔黑)为导电剂，PTFE(聚四氟乙烯)为粘结剂，按照AC:AB:PTFE＝80:10:10的质量比例混合，得到电极材料混合物；将电极材料混合物均匀涂抹在泡沫铝超级电容集流体上，放入干燥箱干燥1h，得到预制超级电容电极片，其中，干燥箱的温度为100℃；通过辊压机，在10MPa的压力下，将预制超级电容电极片压实，得到超级电容电极片。
通常掺镍的活性炭电极，需要先用沉淀法制备出Ni的前驱体Ni(OH)2,然后将Ni(OH)2粉体放置干燥箱中若干小时，得到NiO。再将活性炭粉末与NiO放置研钵中研磨。这样制造出来的电容电极材料，不仅可能会造成活性炭表面孔径分布不均，比表面积减小，而且活性炭和NiO的特性体现不出来。
步骤4，将电解质盐EMIAsF6(咪唑嗡六氟砷酸盐)加入PC(碳酸丙烯酯)和AN(乙腈)的混合物中，得到电解液；
其中，溶剂选用PC和AN的混合物，PC和AN的混合物中PC的摩尔百分数为20％-40％。电解质盐的阳离子选用EMI+(咪唑嗡盐阳离子)，阴离子选用As F6 －(六氟砷酸根阴离子)。
可选的，电解液的EMIAsF6的浓度为2mol/L。
可选的，按照PC：AN：EMIAsF6＝10ml:20ml:4g的比例在手套箱中制备电解液。
通常以活性炭为电极的超级电容，选用的电解液多为水系电解液，尤以6mol/L的KOH碱性电解液为主。但KOH碱性电解液分解电压小，通常不超过2V，这样一来单体超级电容的工作电压就很小，进而能量密度小。碱性电解液由于其固有的特性，在零度以下便无法工作，而且碱性电解液的“爬碱”现象特别严重。如果在航空设备中电容使用碱性电解液，如若遇到大气湍流，超级电容发生机械碰撞，电解液很容易溢出腐蚀设备。用本发明中的方法配置出的电解液，可将掺镍碳基超级电容的工作电压提升至3V左右，大大提高了电容的能量密度，而且即使在零下40度的低温环境中，超级电容仍然可以正常工作，同时在剧烈震动的环境下，也不用担心电解液的泄露问题。采用有机电解液也不用担心碱性电解液常见的“爬碱”现象。
步骤5，用所述电解液浸泡超级电容隔膜，在两片超级电容电极片之间插入浸泡过的超级电容隔膜后，封装超级电容，并注入所述电解液，得到航空用掺镍碳基超级电容。
其中，首先，将超级电容隔膜在电解液中浸泡1h；将两个超级电容电极片相对设置，在两个超级电容电极片之间插入步骤51中浸泡过的超级电容隔膜，得到预制超级电容；在预制超级电容外部包裹铝塑薄膜，用塑料薄膜封口机和电热封口机进行封装。
可选的，超级电容隔膜为聚丙烯薄膜。

Claims (9)

1.一种航空用掺镍碳基超级电容制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，制备泡沫铝超级电容集流体；
步骤2，以活性炭粉末为碳质原料，煤焦油为粘结剂，硝酸镍为催化剂，制备掺镍活性炭；
步骤3，将掺镍活性炭均匀的涂抹在泡沫铝超级电容集流体上，得到超级电容电极片；
步骤4，将电解质盐EMIAsF6加入PC和AN的混合物中，得到电解液；其中，PC和AN的混合物中PC的摩尔百分数为20％-40％；
步骤5，用所述电解液浸泡超级电容隔膜，在两片超级电容电极片之间插入浸泡过的超级电容隔膜后，封装超级电容，并注入所述电解液，得到航空用掺镍碳基超级电容。
2.如权利要求1所述的一种航空用掺镍碳基超级电容制备方法，其特征在于，所述的步骤1具体包括如下步骤，
步骤11，将泡沫铝切割之后，通过电火花打碳机去除泡沫铝表面的氧化膜，得到第一泡沫铝；
步骤12，将所述第一泡沫铝放入1mol/L的NaOH溶液中浸泡1h，除去油污，得到第二泡沫铝；
步骤13，将所述第二泡沫铝放入超声波清洗机中用去离子水洗涤10min，得到第三泡沫铝；
步骤14，将所述第三泡沫铝放入干燥箱中，以100mL/min的速度通入氮气，干燥10min制得泡沫铝超级电容集流体。
3.如权利要求1所述的一种航空用掺镍碳基超级电容制备方法，其特征在于，所述的步骤2具体包括如下步骤，
步骤21，以活性炭粉末为碳质原料，煤焦油为粘结剂，硝酸镍为催化剂，加入蒸馏水，在研钵中充分搅拌，得到第一混合物；活性炭粉末、煤焦油和硝酸镍的质量比为4:1:1；
步骤22，将所述第一混合物挤压成型，并干燥，得到第二混合物；
步骤23，将所述第二混合物放入800℃的电阻炉中碳化1h后，用900℃的水蒸气作为活化剂活化2h，得到掺镍活性炭。
4.如权利要求1所述的一种航空用掺镍碳基超级电容制备方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括如下步骤，
步骤31，将所述掺镍活性炭放置冷却后，用研钵研磨，并用300目筛网筛出AC粉末；
步骤32，以AB为导电剂，PTFE为粘结剂，按照AC:AB:PTFE＝8:1:1的质量比例混合，得到电极材料混合物；
步骤33，将电极材料混合物均匀涂抹在泡沫铝超级电容集流体上，放入100℃的干燥箱干燥1h，得到预制超级电容电极片；
步骤34，通过辊压机，在10MPa的压力下，将预制超级电容电极片压实，得到超级电容电极片。
5.如权利要求1所述的一种航空用掺镍碳基超级电容制备方法，其特征在于，步骤4中，得到的电解液中EMIAsF6的浓度为2mol/L。
6.如权利要求5所述的一种航空用掺镍碳基超级电容制备方法，其特征在于，按照PC：AN：EMIAsF6＝2.5ml：5ml：1g的比例在手套箱中制备电解液。
7.如权利要求1所述的一种航空用掺镍碳基超级电容制备方法，其特征在于，所述的步骤5具体包括如下步骤，
步骤51，将超级电容隔膜在电解液中浸泡1h；
步骤52，将两个超级电容电极片相对设置，在两个超级电容电极片之间插入浸泡过的超级电容隔膜，得到预制超级电容；
步骤53，在所述预制超级电容外部包裹铝塑薄膜，用塑料薄膜封口机和电热封口机进行封装，并注入所述电解液。
8.如权利要求7所述的一种航空用掺镍碳基超级电容制备方法，其特征在于，所述超级电容隔膜为聚丙烯薄膜。
9.一种航空用掺镍碳基超级电容，其特征在于，通过权利要求1至8所述任一制备方法所制备，包括密封设置的超级电容壳体(1)、封装在超级电容壳体(1)内的泡沫铝超级电容集流体(2)、超级电容隔膜(3)、掺镍活性炭(4)和电解液(5)；将掺镍活性炭(4)均匀的涂抹在泡沫铝超级电容集流体(2)上形成超级电容电极片，两个相对设置的超级电容电极片中插入超级电容隔膜(3)；电解液(5)填充在超级电容壳体(1)内。
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