CN111668030A - 一种凹凸型三维高性能超级电容器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超级电容器技术领域,公开了一种凹凸型三维高性能超级电容器。以凹凸型碳基阵列电极为工作电极,采用三电极体系和连续循环伏安法电聚合成凹凸型聚苯胺修饰碳基阵列电极,进而以四根电极为正负极,设计构筑了凹凸型三维超级电容器超级电容器。通过循环伏安法和恒流充放电测试表明所构筑的凹凸型三维超级电容器的面积比电容值大大地提高,具有高的电容性能和稳定性。本发明的超级电容器具有成本低、空间利用率高、可折叠和集成小型化等优势,可以广泛应用于能力储存和电子器件领域。
Description
技术领域
本发明属于超级电容器技术领域,具体涉及一种凹凸型三维高性能超级电容器及其制备方法和应用。
背景技术
为了解决化石能源的不断消耗,世界的能源的储备危机,实现能源的可持续发展,人们将可再生能源和高性能的储能设备的开发成为研究重点。其中,具有充放电速度快、循环寿命长、功率密度高和绿色环保等优势的超级电容器在众多的能量存储装置中成为关注重点。
聚苯胺是一种导电聚合物,可以经过化学或电化学聚合而成的共扼π键的高分子化合物,具有理论电容量高、本征电导率优越、纳米化、半导体性质、多功能化、和制备过程简单等优点。因而常作为超级电容器的修饰材料。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足,探究超级电容器中电极之间的距离与位置对其性能的影响,本发明的首要目的在于提供一种凹凸型三维高性能超级电容器的制备方法。
本发明的又一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的凹凸型三维高性能超级电容器。
本发明的再一目的在于提供一种上述凹凸型三维高性能超级电容器的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现:
一种凹凸型三维高性能超级电容器的制备方法,包括以下步骤:
(1)以硫酸溶液作为电解液,以苯胺为修饰反应物,配制苯胺溶液;
(2)在步骤(1)所得苯胺溶液中,凹凸型碳基阵列电极为工作电极,石墨棒为对电极,饱和甘汞电极为参比电极,利用CHI850D电化学工作站中的循环伏安法,进行电化学聚合,然后将工作电极取出清洗干燥,得到凹凸型聚苯胺修饰碳基阵列电极;
(3)将四根步骤(2)中制得的凹凸型聚苯胺修饰碳基阵列电极分别命名为电极Ⅰ、电极Ⅱ、电极Ⅲ和电极Ⅳ;电极Ⅰ和电极Ⅱ在同一平面上拼接,一根电极的凹型与另外一根的凸型相对;电极Ⅲ和电极Ⅳ在同一平面上拼接,一根电极的凹型与另外一根的凸型相对;电极Ⅰ与电极Ⅲ正对垂直;电极Ⅱ与电极Ⅳ正对垂直;
(4)将不同电极作为正负极,可以构建不同类型的超级电容器:以电极Ⅰ作为正极,电极Ⅲ作为负极,构建1号凹凸型平行板超级电容器;或者以电极Ⅰ作为正极,电极Ⅱ作为负极,构建2号凹凸型平面超级电容器;或者以电极Ⅰ和电极Ⅲ同时作为正极,以电极Ⅱ和电极Ⅳ同时作为负极,构建3号凹凸型三维超级电容器。
步骤(1)所述苯胺溶液中苯胺的浓度为0.01mol L-1;所述硫酸溶液的浓度为1.0mol L-1。
步骤(2)中所述凹凸型碳基阵列电极具有凹型和凸型。
步骤(2)中所述凹凸型碳基阵列电极的面积为0.48cm2;所述循环伏安法的电位区间为0~1V、扫描速度为10~500mV s-1,以及电位扫描圈数为10~200。
步骤(2)中制得的凹凸型聚苯胺修饰碳基阵列电极在硫酸溶液中进行不同扫描速度的循环伏安法表征,循环伏安法的电位区间为0~0.7V、扫描速度为5~500mV s-1,以及电位扫描圈数为1~10,其伏安曲线图展现出聚苯胺的氧化还原峰形状,证明聚苯胺聚合于电极表面。
一种由上述的制备方法制备得到的凹凸型三维高性能超级电容器。
所述凹凸型三维高性能超级电容器进行电流密度为0.25mA cm-2的恒流充放电测试,1号凹凸型平行板超级电容器的面积比电容值达到2.24mF cm-2,2号凹凸型平行板超级电容器的面积比电容值达到4.84mF cm-2,3号凹凸型平行板超级电容器的面积比电容值达到7.86mF cm-2。
上述的凹凸型三维高性能超级电容器在能力储存和电子器件领域中的应用。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
本发明根据超级电容器中电极之间的距离与位置可能会影响其性能的大小的原理,以四根凹凸型聚苯胺修饰碳基阵列电极为正负极,设计构筑了凹凸型三维超级电容器;通过恒流充放电测试表明所构筑的超级电容器的面积比电容值大大地提高,具有高的电容性能。本发明的超级电容器具有成本低、空间利用率高、可折叠和集成小型化等优势,可以广泛应用于能力储存和电子器件领域。
附图说明
图1是超级电容器的外观透视图;
图2是超级电容器装置分层以及电极命名示意图;
图3是修饰有聚苯胺的丝印电极在不同扫描速度下的循环伏安图,其中支持电解质溶液为1.0mol L-1的硫酸溶液;
图4是分别以不同电极作为正负极的超级电容器的恒流充放电图,其中充电电流密度为0.25mA cm-2,支持电解质溶液为1.0mol L-1的硫酸溶液。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
根据本发明设计目的,同类物质的简单替代以及尺寸形状的变化,例如改变苯胺和硫酸溶液的浓度或者改变碳基阵列电极的大小等均应属于本发明的范围;下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明,均为本技术领域现有的常规方法;所使用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
实施例1
制备凹凸型聚苯胺修饰碳基阵列电极,具体按照以下步骤:
将凹凸型碳基阵列电极为工作电极、石墨棒为对电极、饱和甘汞电极为参比电极置于苯胺溶液中(以1.0mol L-1硫酸溶液作为电解液,以苯胺为修饰反应物,配制的苯胺溶液,其中苯胺浓度为0.01mol L-1),在连续的循环伏安法下进行电化学聚合,其中参数设置为电位范围:0~1V、扫描速度:0.1V s-1、扫描圈数:20;所得工作电极清洗干燥,得到凹凸型聚苯胺修饰碳基阵列电极。
实施例2
凹凸型聚苯胺修饰碳基阵列电极的表征如下:
将实施例1中得到的凹凸型聚苯胺修饰碳基阵列电极为工作电极、石墨棒为对电极、饱和甘汞电极为参比电极,1.0mol L-1的硫酸为支持电解质溶液,在不同扫描速度下的循环伏安法进行表征;其伏安曲线如图3所示,聚苯胺的氧化还原峰清晰可见,随着扫描速度的增大,其氧化峰与还原峰的电流也随之增大,表明聚苯胺被成功修饰到碳基阵列电极之上。
实施例3
一种凹凸型三维高性能超级电容器的组装与性能表征:
将四根实施例1中得到的凹凸型聚苯胺修饰碳基阵列电极作为正负极,如图1和2所示,组装成密闭式凹凸型三维超级电容器,具体如下:四根凹凸型聚苯胺修饰碳基阵列电极分别命名为电极Ⅰ、电极Ⅱ、电极Ⅲ和电极Ⅳ;电极Ⅰ和电极Ⅱ在同一平面上拼接,一根电极的凹型与另外一根的凸型相对;电极Ⅲ和电极Ⅳ在同一平面上拼接,一根电极的凹型与另外一根的凸型相对;电极Ⅰ与电极Ⅲ正对垂直;电极Ⅱ与电极Ⅳ正对垂直;将不同电极作为正负极,可以构建不同类型的超级电容器:以电极Ⅰ作为正极,电极Ⅲ作为负极,构建1号凹凸型平行板超级电容器;或者以电极Ⅰ作为正极,电极Ⅱ作为负极,构建2号凹凸型平面超级电容器;或者以电极Ⅰ和电极Ⅲ同时作为正极,以电极Ⅱ和电极Ⅳ同时作为负极,构建3号凹凸型三维超级电容器。使用电流密度为0.25mA cm-2的恒流充放电进行表征,结果如图4所示,所构筑的凹凸型三维超级电容器的面积比电容值较大,最大为7.86mF cm-2,最小为2.24mF cm-2。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种凹凸型三维高性能超级电容器的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)以硫酸溶液作为电解液,以苯胺为修饰反应物,配制苯胺溶液;
(2)在步骤(1)所得苯胺溶液中,凹凸型碳基阵列电极为工作电极,石墨棒为对电极,饱和甘汞电极为参比电极,利用CHI850D电化学工作站中的循环伏安法,进行电化学聚合,然后将工作电极取出清洗干燥,得到凹凸型聚苯胺修饰碳基阵列电极;
(3)将四根步骤(2)中制得的凹凸型聚苯胺修饰碳基阵列电极分别命名为电极Ⅰ、电极Ⅱ、电极Ⅲ和电极Ⅳ;电极Ⅰ和电极Ⅱ在同一平面上拼接,一根电极的凹型与另外一根的凸型相对;电极Ⅲ和电极Ⅳ在同一平面上拼接,一根电极的凹型与另外一根的凸型相对;电极Ⅰ与电极Ⅲ正对垂直;电极Ⅱ与电极Ⅳ正对垂直;
(4)将不同电极作为正负极,可以构建不同类型的超级电容器:以电极Ⅰ作为正极,电极Ⅲ作为负极,构建1号凹凸型平行板超级电容器;或者以电极Ⅰ作为正极,电极Ⅱ作为负极,构建2号凹凸型平面超级电容器;或者以电极Ⅰ和电极Ⅲ同时作为正极,以电极Ⅱ和电极Ⅳ同时作为负极,构建3号凹凸型三维超级电容器。
2.根据权利要求1所述的一种凹凸型三维高性能超级电容器的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述苯胺溶液中苯胺的浓度为0.01mol L-1;所述硫酸溶液的浓度为1.0mol L-1。
3.根据权利要求1所述的一种凹凸型三维高性能超级电容器的制备方法,其特征在于:步骤(2)中所述凹凸型碳基阵列电极具有凹型和凸型。
4.根据权利要求1所述的一种凹凸型三维高性能超级电容器的制备方法,其特征在于:步骤(2)中所述凹凸型碳基阵列电极的面积为0.48cm2;所述循环伏安法的电位区间为0~1V、扫描速度为10~500mV s-1,以及电位扫描圈数为10~200。
5.根据权利要求1所述的一种凹凸型三维高性能超级电容器的制备方法,其特征在于:步骤(2)中制得的凹凸型聚苯胺修饰碳基阵列电极在硫酸溶液中进行不同扫描速度的循环伏安法表征,循环伏安法的电位区间为0~0.7V、扫描速度为5~500mV s-1,以及电位扫描圈数为1~10,其伏安曲线图展现出聚苯胺的氧化还原峰形状,证明聚苯胺聚合于电极表面。
6.一种由权利要求1~5任一项所述的制备方法制备得到的凹凸型三维高性能超级电容器。
7.根据权利要求6所述的凹凸型三维高性能超级电容器,其特征在于:所述凹凸型三维高性能超级电容器进行电流密度为0.25mA cm-2的恒流充放电测试,1号凹凸型平行板超级电容器的面积比电容值达到2.24mF cm-2,2号凹凸型平行板超级电容器的面积比电容值达到4.84mF cm-2,3号凹凸型平行板超级电容器的面积比电容值达到7.86mF cm-2。
8.根据权利要求7所述的凹凸型三维高性能超级电容器在能力储存和电子器件领域中的应用。
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