CN108899211A - 一种兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器及其制备方法 - Google Patents

一种兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器及其制备方法，属于钠离子电容器技术领域，该钠离子电容器以二硫化钼/石墨烯复合材料为负极，多孔碳材料为正极，采用钠离子电池的装配工艺，本发明具有以下优点：二硫化钼/石墨烯复合材料通过法拉第反应储存大量钠离子，同时由于其层状结构以及石墨烯的复合，可表现出极快的电化学响应行为，同时加强电容器容量与充放电速度，得到兼备高能量密度与高功率密度输出的钠离子电容器；通过调节负极材料二硫化钼与石墨烯的比例，以及多孔碳正极材料的微观孔结构，即可实现对钠离子电容器倍率性能的调节，该钠离子电容器具有广泛的实际应用前景。

Description

一种兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器及其制备 方法
技术领域
本发明属于钠离子电容器技术领域，特别涉及一种兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器及其制备方法。
背景技术
目前主流的储能器件主要分为二次电池与超级电容器两大类，分别具有高的能量密度和高的功率密度。二次电池中锂离子电池与钠离子电池储能机理类似，而钠在地球上的资源分布要远远比锂资源更加丰富，开发钠离子储能器件受到广泛关注。钠离子电容器一极采用钠离子电池电极，另一极采用超级电容器电极，因此可以同时实现高的能量密度和高功率密度，同时具有较好的循环稳定性。其优异的性能和低廉的价格不仅可以用于高铁、电动汽车、电厂补偿等高功率输出领域，还可用于移动电话、笔记电脑等便携式小型电子设备实现超快速的充电。目前的钠离子电容器受限于碳负极材料的限制，能量密度与功率密度均较低，难以满足实际使用需求，因此从电极材料的角度出，开发同时兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器具有重要的意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器及其制备方法，以二硫化钼/石墨烯复合材料为负极材料，通过法拉第反应储存大量钠离子，同时由于其层状结构以及石墨烯的复合，可表现出极快的电化学响应行为，同时加强电容器容量与充放电速度，得到兼备高能量密度与高功率密度输出的钠离子电容器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种兼备高能量密度和高功率密度的钠离子电容器，其特征在于，其以二硫化钼/石墨烯复合材料为负极，以多孔碳材料为正极。最大输出能量密度≥100Wh/kg，其最大输出功率密≥100kW/kg，循环充放电1000次容量保持率≥90％。
所描述多孔碳材料的比表面积≥500m2/g，总孔容积≥0.5cm3/g。
所描述二硫化钼/石墨烯复合负极材料中石墨烯与二硫化钼的质量比为(5-40)：(60-95)。
本发明同时提供了一种制备所述兼备高能量密度与高功率密度钠离子电容器的方法，包括以下步骤：
步骤一，将多孔碳、导电添加剂以及粘结剂按照质量比(70-100):(0-10):(0-20)混合均匀，加入有机溶剂得到正极浆料，将正极浆料涂覆于铝箔上，经干燥、轧膜及冲片处理后，得到钠离子电容器正极片，即多孔碳极片；
步骤二，将二硫化钼/石墨烯复合材料、导电添加剂以及粘结剂按照质量比(75-90):(5-10):(5-15)混合均匀，加入有机溶剂得到负极浆料，将负极浆料涂覆于铜箔上，经干燥、轧膜及冲片处理后，得到负极极片；
步骤三，将负极极片与金属钠片组成钠离子半电池，在(0.1-1)C的恒定电流下，充放电3个循环，再放电至电池电压处于(0.1-0.4)V，得到预钠化二硫化钼/石墨烯负极极片，即为钠离子电容器负极片；
步骤四，以步骤一中的多孔碳极片和步骤三中的预钠化石墨烯/硫化钼负极极片分别作为钠离子电容器的正负极，采用有机电解液，组装成钠离子电容器。
所述导电添加剂为导电炭黑、碳纳米管或石墨烯等，所述粘结剂为聚偏氟乙烯
(PVDF)，所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
所述步骤一中有机溶剂与多孔碳的质量比为(4-8):1；步骤二中有机溶剂与二硫化钼/石墨烯复合材料质量比为(3-6):1。
与现有技术相比，本发明利用二硫化钼/石墨烯复合材料高容量与极快的电化学响应，制备了同时兼备高能量密度和高功率密度的钠离子电容器。通过正极材料的微观孔结构以及负极材料中二硫化钼与石墨烯的比例调控，可对组装的钠离子电容器的性能进行进一步调节，获得更高的能量密度或者功率密度。
附图说明
图1是本发明实施实例一0.1A/g电流密度钠离子电容器充放电曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
实施例一
一种兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，比表面积为600m2/g，孔容为0.8cm3/g的石墨烯基多孔碳，与导电炭黑(superP)，粘结剂PVDF按照质量比80:10:10混合均匀，加入有机溶剂NMP(与多孔碳质量比4:1)得到正极浆料。将正极浆料涂覆于铝箔上，经干燥、轧膜及冲片处理后，得到钠离子电容器正极片，即多孔碳极片。
步骤二，将质量比为2：5的氧化石墨烯与四硫代钼酸铵超声分散与适量DMF(N，N-二甲基甲酰胺)中，充分混合转移到聚四氟乙烯内胆的密闭反应釜中190℃溶剂热反应18小时，反应产物抽滤烘干后得到二硫化钼/石墨烯复合材料。将上述复合材料，与正极多孔碳的质量比为1:4，与导电炭黑(superP)，粘结剂PVDF按照质量比75:10:15混合均匀，加入有机溶剂NMP(与二硫化钼/石墨烯符合材料质量比3:1)得到负极浆料。将负极浆料涂覆于铜箔上，经干燥、轧膜及冲片处理后，得到负极极片。
步骤三，将二硫化钼/石墨烯复合材料极片与金属钠片组成钠离子半电池，以NaClO4(EC:DMC＝1:1)为有机电解液，组装成2032型扣式电池。在0.1C的恒定电流下，充放电3个循环，再放电至电池电压为0.3V，得到钠离子电容器负极片，即预钠化二硫化钼/石墨烯复合材料极片。
步骤四，以步骤一中的多孔碳极片和步骤三中的预钠化二硫化钼/石墨烯复合材料极片分别作为钠离子电容器的正负极，以NaClO4(EC:DMC＝1:1)为有机电解液，组装成2032型扣式器件，即为本发明的钠离子电容器。对其在不同恒定电流下(0.1-100A/g)进行充放电测试，循环充放电工作电压范围为1-4.3V，测试得到的充放电曲线如图1所示。循环充放电工作电流为1A/g，工作电压范围亦为1-4.3V。性能测定结果如表1所示。
实施例二
一种兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，比表面积为1200m2/g，孔容为1.0cm3/g的活性碳，与导电炭黑(superP)，粘结剂PVDF按照质量比75:10:15混合均匀，加入有机溶剂NMP(与多孔碳质量比4:1)得到正极浆料。将正极浆料涂覆于铝箔上，经干燥、轧膜及冲片处理后，得到钠离子电容器正极片，即多孔碳极片。
步骤二，将2mg/ml氧化石墨烯超声分散液与2mg/ml的少层二硫化钼超声分散液充分混合，石墨烯与二硫化钼分散液体积比2：3。充分混合后180℃烘干，在惰性气氛下加热至800℃，保温1小时，得到二硫化钼/石墨烯复合材料。将上述复合材料，与正极多孔碳的质量比为1:2，与导电炭黑(superP)，粘结剂PVDF按照质量比80:10:10混合均匀，加入有机溶剂NMP(与二硫化钼/石墨烯符合材料质量比3:1)得到负极浆料。将负极浆料涂覆于铜箔上，经干燥、轧膜及冲片处理后，得到负极极片。
步骤三，将二硫化钼/石墨烯复合材料极片与金属钠片组成钠离子半电池，以NaClO4(EC:DMC＝1:1)为有机电解液，组装成2032型扣式电池。在0.1C的恒定电流下，充放电3个循环，再放电至电池电压为0.2V，得到钠离子电容器负极片，即预钠化二硫化钼/石墨烯复合材料极片。
步骤四，以步骤一中的多孔碳极片和步骤三中的预钠化二硫化钼/石墨烯复合材料极片分别作为钠离子电容器的正负极，以NaClO4(EC:DMC＝1:1)为有机电解液，组装成2032型扣式器件，即为本发明的钠离子电容器。对其在不同恒定电流下(0.1-100A/g)进行充放电测试，循环充放电工作电压范围为1-4.3V，循环充放电工作电流为1A/g,工作电压范围亦为1-4.3V。性能测定结果如表1所示。
实施例三
一种兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，比表面积为1800m2/g，孔容为1.4cm3/g的多孔碳，与导电炭黑(superP)，粘结剂PVDF按照质量比75:10:15混合均匀，加入有机溶剂NMP(与多孔碳质量比4:1)得到正极浆料。将正极浆料涂覆于铝箔上，经干燥、轧膜及冲片处理后，得到钠离子电容器正极片，即多孔碳极片。
步骤二，将2mg/ml氧化石墨烯超声分散液与2mg/ml的少层二硫化钼超声分散液充分混合，石墨烯与二硫化钼分散液体积比1：19。充分混合后180℃烘干，在惰性气氛下加热至800℃，保温1小时，得到二硫化钼/石墨烯复合材料。将上述复合材料，与正极多孔碳的质量比为1:2，与导电炭黑(superP)，粘结剂PVDF按照质量比80:10:10混合均匀，加入有机溶剂NMP(与二硫化钼/石墨烯符合材料质量比3:1)得到负极浆料。将负极浆料涂覆于铜箔上，经干燥、轧膜及冲片处理后，得到负极极片。
步骤三，将二硫化钼/石墨烯复合材料极片与金属钠片组成钠离子半电池，以NaClO4(EC:DMC＝1:1)为有机电解液，组装成2032型扣式电池。在0.1C的恒定电流下，充放电3个循环，再放电至电池电压为0.4V，得到钠离子电容器负极片，即预钠化二硫化钼/石墨烯复合材料极片。
步骤四，以步骤一中的多孔碳极片和步骤三中的预钠化二硫化钼/石墨烯复合材料极片分别作为钠离子电容器的正负极，以NaClO4(EC:DMC＝1:1)为有机电解液，组装成2032型扣式器件，即为本发明的钠离子电容器。对其在不同恒定电流下(0.1-100A/g)进行充放电测试，循环充放电工作电压范围为1-4.2V，循环充放电工作电流为1A/g,工作电压范围亦为1-4.2V。性能测定结果如表1所示。
表1实施例中的钠离子电容器性能(基于两级材料的整体质量)
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器，以二硫化钼/石墨烯复合材料为负极，以多孔碳材料为正极。
2.根据权利要求1所述兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器，其特征在于，最大输出能量密度≥100Wh/kg，最大输出功率密度≥100kW/kg，循环充放电1000次容量保持率≥90％。
3.根据权利要求1所述兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器，其特征在于，所述二硫化钼/石墨烯复合材料中石墨烯与二硫化钼的质量比为(5-40)：(60-95)。
4.根据权利要求1所述兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器，其特征在于，所述多孔碳材料的比表面积≥500m2/g，总孔容积≥0.5cm3/g。
5.一种制备权利要求1所述兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器的方法，其特征在于，采用钠离子电池的装配工艺，包括以下步骤：
步骤一，将多孔碳、导电添加剂以及粘结剂按照质量比(70-100):(0-10):(0-20)混合均匀，加入有机溶剂得到正极浆料，将正极浆料涂覆于铝箔上，经干燥、轧膜及冲片处理后，得到钠离子电容器正极片，即多孔碳极片；
步骤二，将二硫化钼/石墨烯复合材料、导电添加剂以及粘结剂按照质量比(75-90):(5-10):(5-15)混合均匀，加入有机溶剂得到负极浆料，将负极浆料涂覆于铜箔上，经干燥、轧膜及冲片处理后，得到负极极片；
步骤三，将负极极片与金属钠片组成钠离子半电池，在(0.1-1)C的恒定电流下，充放电3个循环，再放电至电池电压处于(0.1-0.4)V，得到预钠化石墨烯/硫化钼负极极片，即为钠离子电容器负极片；
步骤四，以步骤一中的多孔碳极片和步骤三中的预钠化石墨烯/硫化钼负极极片分别作为钠离子电容器的正负极，采用有机电解液，组装成钠离子电容器。
6.根据权利要求5所述兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器，其特征在于，所述导电添加剂为导电炭黑、碳纳米管或石墨烯，所述粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)，所述步骤一和步骤二中有机溶剂均为N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
7.根据权利要求5或6所述兼备高能量密度与高功率密度的钠离子电容器，其特征在于，所述步骤一中有机溶剂与多孔碳的质量比为(4-8):1；步骤二中有机溶剂与石墨烯/硫化钼复合材料的质量比为(3-6):1。
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