CN113436907A - 一种地聚物基超级电容器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地聚物基超级电容器及其制备方法，地聚物基超级电容器包括地聚物基体、金属电极和电容器导线，所述金属电极设于地聚物基体内，所述电容器导线穿过地聚物基体并与金属电极形成导电连接，所述地聚物基体由导电浆料制成，所述导电浆料包括改性粉煤灰、改性碱激发剂和离子增强剂，所述改性粉煤灰由普通粉煤灰、NaOH和NaHCO3制成，所述改性碱激发剂由硅铁粉和硅酸钾水溶液制成，所述离子增强剂由氯化锂和氟化钠制成；所述地聚物基体中含有预设数量的自由离子，可定向移动产生电流。本发明的地聚物基超级电容器，结构简单，不再需要离子渗透膜，由具有储电功能的地聚物基体制成。

Description

一种地聚物基超级电容器及其制备方法
技术领域
本发明涉及地聚物基超级电容器技术领域，尤其涉及一种地聚物基超级电容器及其制备方法。
背景技术
地聚物基超级电容器有时也称为“双电层电容器”，在外加电源作用下，电容器两极板间的离子在电场下定向移动，聚集在电极表面，取下外加电源后，与用电器相连，离子在电势作用下定向移动产生电流。
现有的地聚物基超级电容器采用高比表面积的多孔材料如活性炭作为电极，两个电极浸入电解液中，中间用离子渗透膜隔开以防止电接触。充电状态下，电解液中阴离子和阳离子分别移向正极和负极，进而在电极-电解液的界面形成两个双电层，离子的分离也导致整个单元组件中存在一个电位差。
目前没有地聚物基体制成的地聚物基超级电容器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种地聚物基超级电容器，不再需要离子渗透膜，由具有储电功能的地聚物基体制成。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种地聚物基超级电容器，可用作建筑材料。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种地聚物基超级电容器的制备方法，工艺简单，不再需要离子渗透膜，由具有储电功能的地聚物基体制成。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种地聚物基超级电容器，包括地聚物基体、金属电极和电容器导线，所述金属电极设于地聚物基体内，所述电容器导线穿过地聚物基体并与金属电极形成导电连接，所述地聚物基体由导电浆料制成，所述导电浆料包括改性粉煤灰、改性碱激发剂和离子增强剂，所述改性粉煤灰由普通粉煤灰、NaOH和NaHCO3制成，所述改性碱激发剂由硅铁粉和硅酸钾水溶液制成，所述离子增强剂由氯化锂和氟化钠制成；
所述地聚物基体中含有预设数量的自由离子，可定向移动产生电流。
作为上述方案的改进，所述地聚物基体中设有互相连接贯通的微孔隙，所述微孔隙中存在孔隙水溶液，所述孔隙水溶液中含有预设数量的可自由移动的离子，所述孔隙水溶液为激发改性粉煤灰剩下的硅酸钾溶液。
作为上述方案的改进，按重量份算，所述导电浆料包括56～64份改性粉煤灰、28～32份硅酸钾水溶液、3～5份硅铁粉、1～3份氯化锂和1～3份氟化钠。
作为上述方案的改进，所述改性粉煤灰的制备方法，包括：
S11、制备改性溶液，所述改性溶液由NaOH溶液和NaHCO3溶液组成；
S12、将改性溶液加入到普通粉煤灰中，搅拌均匀、静置，得到混合液；
S13、将混合液烘干和焙烧，得到改性粉煤灰。
作为上述方案的改进，NaOH溶液和NaHCO3溶液的浓度分别为0.7～1.5mol/L，NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＝(2～5):1。
作为上述方案的改进，改性溶液的质量：普通粉煤灰的质量＝(8～15)：1。
作为上述方案的改进，所述硅酸钾水溶液的模数为1.8～2.3，浓度为48％～52％；
所述硅铁粉的含硅量为90％～95％，细度为300～400目。
作为上述方案的改进，所述金属电极包括正极金属和负极金属，所述电容器导线包括正极电容器导线和负极电容器导线，所述正极电容器导线与正极金属连接，所述负极电容器导线与负极金属连接。
作为上述方案的改进，所述地聚物基超级电容器的能量密度为16～20W·h/kg。
相应地，本发明还提供了一种上述的地聚物基超级电容器的制备方法，包括：
制备导电浆料；
将金属电极置于模具中，并将电容器导线连接到金属电极上；
将导电浆料分n次浇筑到模具中，并让电容器导线伸出导电浆料，n≥1；
养护若干天后，得到所述地聚物基超级电容器。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明地聚物基超级电容器中的地聚物基体中含有预设数量的自由离子，可定向移动产生电流，因此可作为一种固体电解液，同时所述地聚物基体为绝缘体，可防止电接触，不再需要离子渗透膜，是一种新型的地聚物基超级电容器；此外，本发明在地聚物基体上设置金属电极，以形成多组超级电容，电极上连接有电容器导线，可以外加电源相连完成充电，与用电器相连完成放电；本发明由地聚物基体组成的地聚物基超级电容器可作为建筑材料，从而实现建筑材料的储电功能，以节省大量能源。
本发明的地聚物基体中含有互相连接贯通的微孔隙，所述微孔隙中存在孔隙水溶液(激发改性粉煤灰剩下的硅酸钾溶液)，所述孔隙水溶液中含有大量硅酸钾与改性粉煤灰反应后产生的离子。其中，导电浆料固化后28天的电阻率为≤0.2Ω·m，并具有常规地聚物不具有的储电性能。
附图说明
图1是本发明地聚物基超级电容器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
参见图1，本发明提供的一种地聚物基超级电容器1，包括地聚物基体11、金属电极12和电容器导线13，所述金属电极12设于地聚物基体11内，所述电容器导线13穿过地聚物基体11并与金属电极12形成导电连接，所述地聚物基体11由导电浆料制成，所述导电浆料包括改性粉煤灰、改性碱激发剂和离子增强剂；所述地聚物基体11中含有预设数量的自由离子，可定向移动产生电流。
所述地聚物基体11中设有互相连接贯通的微孔隙，所述微孔隙中存在孔隙水溶液，所述孔隙水溶液中含有预设数量的可自由移动的离子，所述孔隙水溶液为激发改性粉煤灰剩下的硅酸钾溶液成，含有大量硅酸钾与改性粉煤灰反应后产生的离子。在外加电场的作用下，离子产生定向移动，正离子聚集在与正极相连的电极，负离子聚集在与负极相连的电极，产生电势。由于地聚物基体11本身是一种电介质，撤去外加电场后，地聚物基体11的电势仍然保留。
本发明地聚物基超级电容器的能量密度为16～20W·h/kg，在30V的直流电源充电1分钟可点亮额定电压为1.8～2.1V的LED灯泡5小时以上。
具体的，所述改性粉煤灰由普通粉煤灰、NaOH和NaHCO3制成。
所述改性粉煤灰的制备方法，包括：
S11、制备改性溶液，所述改性溶液由NaOH溶液和NaHCO3溶液组成；
S12、将改性溶液加入到普通粉煤灰中，搅拌均匀、静置，得到混合液；
S13、将混合液烘干和焙烧，得到改性粉煤灰。
普通粉煤灰中含有大量微型玻璃珠，成分为二氧化硅，结构致密，本发明改性溶液中的NaOH溶液和NaHCO3溶液可以腐蚀二氧化硅，使普通粉煤灰中的微型玻璃珠被腐蚀产生大量空洞，可以加速导电粒子的传输。
具体的，本发明由NaOH溶液和NaHCO3溶液组成的改性溶液可以破坏粉煤灰表面部分玻璃态结构和保护膜，使得改性粉煤灰的结构变得比普通粉煤灰的结构疏松多孔，形成贯通的管道，有利于带电离子的定向移动。
其中，NaOH溶液和NaHCO3溶液的浓度分别为0.7～1.5mol/L，NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＝(2～5):1。若NaOH溶液和NaHCO3溶液的浓度小于0.7mol/L，则浓度太低，改性溶液的腐蚀能力减弱，降低改性效果，使得改性粉煤灰的孔隙率下降；若NaOH溶液和NaHCO3溶液的浓度大于1.5mol/L，则浓度太高，腐蚀效果过强，也会影响改性效果，使得改性粉煤灰的孔隙率无法有效提高。若NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＞5:1，则NaOH溶液的含量过多，若NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＜2:1，则NaOH溶液的含量过小，均影响改性溶液的腐蚀能力，降低改性效果，使得改性粉煤灰的孔隙率下降。
优选的，NaOH溶液和NaHCO3溶液的浓度分别为0.9～1.3mol/L，NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＝(2.5～4):1。
更优的，NaOH溶液和NaHCO3溶液的浓度分别为1mol/L，NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＝3:1。
其中，改性溶液的质量：普通粉煤灰的质量＝(8～15)：1。若改性溶液的质量：普通粉煤灰的质量＞15：1，则改性溶液的用量过多，改性溶液过量浪费；若改性溶液的质量：普通粉煤灰的质量＜10：1，则改性溶液的用量过少，普通粉煤灰不能完全被改性。
优选的，普通粉煤灰的质量：改性溶液的质量＝1：(9～13)。
更优的，普通粉煤灰的质量：改性溶液的质量＝1：10。
具体的，步骤S13中，将混合液置于80～90℃的烘箱中进行干燥，然后置于550～650℃的马弗炉中，保温1.5～2.5h。其中，所述马弗炉在1.5～2.5h内升温至550～650℃。
具体的，所述普通粉煤灰为一级粉煤灰。
所述改性碱激发剂由硅铁粉和硅酸钾水溶液制成。
优选的，按质量份算，所述改性碱激发剂由3～5份的硅铁粉和28～32份硅酸钾水溶液制成。
所述改性碱激发剂的制备方法包括：将3～5份硅铁粉加入28～32份硅酸钾水溶液中，搅拌均匀，得到改性碱激发剂。
本发明改性碱激发剂的原理是：硅铁粉和水可发生反应，产生大量氢气，改性碱激发剂和改性粉煤灰混合之后，氢气在浆料中形成大量微气泡，微气泡可容纳导电液体，减少导电离子传输的电阻，从而提高浆料的导电性。
具体的，本发明将硅铁粉加入到硅酸钾水溶液中，可以去除氢氧根离子并放出大量的热，从而增强硅酸钾水溶液与改性粉煤灰的聚合，同时析出氢气，在硬化的碱激发地聚物基体11中形成大量微气泡，气泡中聚集了离子水溶液，有利于带电粒子的定向移动。
其中，所述硅酸钾水溶液的模数为1.8～2.3，浓度为48％～52％；所述硅铁粉的含硅量为90％～95％，细度为300～400目。若硅铁粉中含硅量小于90％，则纯度不够，影响微气泡的数量；其中，硅铁粉越细，与水玻璃的反应越充分，形成的浆体导电性越好，但太细的话，加工后氧化快，容易失效，难以保存。
更优的，所述硅酸钾水溶液的模数为2.0，浓度为48％～52％；所述硅铁粉的含硅量为90％～95％，细度为300～400目。
本发明的改性碱激发剂需随用随配，放置约10min后失效。
所述离子增强剂由氯化锂和氟化钠制成。优选的，按质量份算，所述离子增强剂由1～3份氯化锂和1～3份氟化钠制成。
所述离子增强剂的制备方法包括：将1～3份的氯化锂和1～3份的氟化钠混合均匀，得到离子增强剂。其中，氯化锂和氟化钠为普通化学纯试剂。
本发明将氯化锂和氟化钠掺入地聚物中，释放出的锂离子和氟离子，由于其体积小，可以穿过硬化后的地聚物中形成的硅铝氧(-Si-O-Al-O-)四面体而定向移动，从而增强地聚物的导电性。
与普通的粉煤灰相比，本发明改性粉煤灰的孔隙率提高50％；与普通粉煤灰制成的地聚物相比，本发明改性粉煤灰和改性碱激发剂制成的地聚物孔隙率提高20％。
具体的，所述金属电极12包括正极金属121和负极金属122，所述电容器导线13包括正极电容器导线131和负极电容器导线132，所述正极电容器导线131与正极金属121连接，所述负极电容器导线132与负极金属122连接。
其中，所述正极电容器导线131和负极电容器导线132伸出地聚物基体1与外接电源或用电器连接。
优选的，所述正极金属121和负极金属122均为铜片或铜合金片，具备优异的抗腐蚀性能，从而保证地聚物基超级电容器的寿命，其中，铜合金电极优选为85～90％的铜和10～15％的镍制成；所述铜片或所述铜合金片的电阻率小于0.12μΩ*m，优选小于0.1μΩ*m，以保证所述超级电容的储电能力，从而保证所述大规模储电建筑结构的储电能力。
其中，正极金属121和负极金属122之间的距离为8～13mm，若正极金属121和负极金属122之间的距离小于8mm，则两电极之间的距离过近，两电极之间的地聚物基体中可自由移动离子数减少，使地聚物基超级电容器的储电能力下降；若正极金属121和负极金属122之间的距离大于13mm，则两电极之间的距离过远，两电极之间的地聚物基体中自由离子在外加电源作用下需要移动的距离过长，降低地聚物基超级电容器的充放电效率。
优选的，所述正极金属121或负极金属122与地聚物基体11平行的一侧(靠近的那一侧)的距离为2～3.5mm。
优选的，所述铜片或铜合金片为网状结构，网眼尺寸为边长1～3mm的正方形，这样可以增加金属电极与导电浆料的接触面积。
优选的，所述电容器导线13的横截面积大于或等于5.5mm2，优选大于或等于6mm2，以避免所述电容器导线13轻易熔断导致所述大规模储电建筑结构整体失效。
相应地，本发明还提供了一种上述地聚物基超级电容器的制备方法，包括：
制备导电浆料；
将金属电极置于模具中，并将电容器导线连接到金属电极上；
将导电浆料分n次浇筑到模具中，并让电容器导线伸出导电浆料，n≥1；
养护若干天后，得到所述地聚物基超级电容器。
具体的，所述模具由泡沫塑料板制成，包括底板、第一侧板和第二侧板，底板的尺寸为90mm*60mm*20mm，第一侧板的尺寸为70mm*50mm*20mm，第二侧板的尺寸为60mm*50mm*20mm，所述底板、第一侧板和第二侧板围合形成用于注入导电浆料的容纳腔。优选的，所述底板设有用于固定电极的卡槽。
优选的，n＝3。
本发明地聚物基超级电容器中的地聚物基体中含有预设数量的自由离子，可定向移动产生电流，因此可作为一种固体电解液，同时所述地聚物基体为绝缘体，可防止电接触，不再需要离子渗透膜，是一种新型的地聚物基超级电容器；此外，本发明在地聚物基体上设置金属电极，以形成多组超级电容，电极上连接有电容器导线，可以外加电源相连完成充电，与用电器相连完成放电；本发明由地聚物基体组成的地聚物基超级电容器可作为建筑材料，从而实现建筑材料的储电功能，以节省大量能源。
本发明的地聚物基体中含有互相连接贯通的微孔隙，所述微孔隙中存在孔隙水溶液(激发改性粉煤灰剩下的硅酸钾溶液)，所述孔隙水溶液中含有预设数量的可自由移动的离子。其中，导电浆料固化后28天的电阻率为≤0.2Ω·m，并具有常规地聚物不具有的储电性能。本发明地聚物所形成的地聚物基超级电容器，能量密度测算在16～20W·h/kg之间，在30V的直流电源充电1分钟可点亮额定电压为1.8～2.1V的LED灯泡5小时以上。
本发明地聚物基超级电容器的能量密度虽然不高，但作为建筑材料，由于体量大，若按地聚物基体的平均密度2700kg/m3计算，地聚物基体的能量密度可达到43.2～54W·h/L，由地聚物基体组成的地聚物基超级电容器经充放电200次后性能无衰减。
下面将以具体实施例来进一步产生本发明
实施例1
S1、制备导电浆料；
将56份的普通粉煤灰加入560份改性溶液中，在常温下搅拌2h后，静置30min，再放入80℃的烘箱中进行干燥，然后置于600℃的马弗炉中，保温2h，得改性粉煤灰；其中，所述改性溶液由1mol/L的NaOH溶液和1mol/L的NaHCO3溶液组成，NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＝3:1；
将2份氯化锂和2份氟化钠混合均匀，得到离子增强剂：
将3份含硅90％、细度为300目的硅铁粉加入28份模数为2.0、浓度48％的硅酸钾水溶液中搅拌均匀，得到改性碱激发剂；
将新制备的改性碱激发剂在10min之内加入混合均匀的离子增强剂和改性粉煤灰和的混合粉料中，在1000r/min的转速下搅拌2min，得到用于制备地聚物基超级电容器的导电浆料；
S2、将电极置于模具中，并将电容器导线连接到电极上；
S3、将导电浆料分3次浇筑到模具中，并让电容器导线伸出导电浆料；
S4、养护28天后，得到所述地聚物基超级电容器。
实施例1的地聚物基超级电容器尺寸为5cm*5cm*2cm，在30V的直流电源充电1分钟可点亮额定电压为1.8～2.1V的LED灯泡达5.5h。
实施例2
S1、制备导电浆料；
将64份的普通粉煤灰加入640份改性溶液中，在常温下搅拌2h后，静置30min，再放入90℃的烘箱中进行干燥，然后置于600℃的马弗炉中，保温2h，得改性粉煤灰；其中，所述改性溶液由1mol/L的NaOH溶液和1mol/L的NaHCO3溶液组成，NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＝3:1；
将3份氯化锂和3份氟化钠混合均匀，得到离子增强剂：
将5份含硅95％、细度为400目的硅铁粉加入28份模数为2.0、浓度52％的硅酸钾水溶液中搅拌均匀，得到改性碱激发剂；
将新制备的改性碱激发剂在10min之内加入混合均匀的离子增强剂和改性粉煤灰和的混合粉料中，在1000r/min的转速下搅拌2min，得到用于制备地聚物基超级电容器的导电浆料；
步骤S2、S3、S4与实施例1的步骤S2、S3、S4相同。
实施例2的地聚物基超级电容器尺寸为5cm*5cm*2cm，在30V的直流电源充电1分钟可点亮额定电压为1.8～2.1V的LED灯泡达7h。
对比例1
S1、制备导电浆料；
将64份的普通粉煤灰加入到32份浓度52％的硅酸钾水溶液中，在1000r/min的转速下搅拌2min，得到普通的浆料；
步骤S2、S3、S4与实施例1的步骤S2、S3、S4相同。
对比例1的地聚物基超级电容器尺寸为5cm*5cm*2cm，在30V的直流电源充电1分钟不能点亮额定电压为1.8～2.1V的LED灯泡，延长充电至24h也无法点亮该灯泡。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种地聚物基超级电容器，其特征在于，包括地聚物基体、金属电极和电容器导线，所述金属电极设于地聚物基体内，所述电容器导线穿过地聚物基体并与金属电极形成导电连接，所述地聚物基体由导电浆料制成，所述导电浆料包括改性粉煤灰、改性碱激发剂和离子增强剂，所述改性粉煤灰由普通粉煤灰、NaOH和NaHCO3制成，所述改性碱激发剂由硅铁粉和硅酸钾水溶液制成，所述离子增强剂由氯化锂和氟化钠制成；
所述地聚物基体中含有预设数量的自由离子，可定向移动产生电流。
2.如权利要求1所述的地聚物基超级电容器，其特征在于，所述地聚物基体中设有互相连接贯通的微孔隙，所述微孔隙中存在孔隙水溶液，所述孔隙水溶液中含有预设数量的可自由移动的离子，所述孔隙水溶液为激发改性粉煤灰剩下的硅酸钾溶液成。
3.如权利要求1所述的地聚物基超级电容器，其特征在于，按重量份算，所述导电浆料包括56～64份改性粉煤灰、28～32份硅酸钾水溶液、3～5份硅铁粉、1～3份氯化锂和1～3份氟化钠。
4.如权利要求1～3任一项所述的地聚物基超级电容器，其特征在于，所述改性粉煤灰的制备方法，包括：
S11、制备改性溶液，所述改性溶液由NaOH溶液和NaHCO3溶液组成；
S12、将改性溶液加入到普通粉煤灰中，搅拌均匀、静置，得到混合液；
S13、将混合液烘干和焙烧，得到改性粉煤灰。
5.如权利要求4所述的地聚物基超级电容器，其特征在于，NaOH溶液和NaHCO3溶液的浓度分别为0.7～1.5mol/L，NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＝(2～5):1。
6.如权利要求5所述的地聚物基超级电容器，其特征在于，改性溶液的质量：普通粉煤灰的质量＝(8～15)：1。
7.如权利要求1所述的地聚物基超级电容器，其特征在于，所述硅酸钾水溶液的模数为1.8～2.3，浓度为48％～52％；
所述硅铁粉的含硅量为90％～95％，细度为300～400目。
8.如权利要求1所述的地聚物基超级电容器，其特征在于，所述金属电极包括正极金属和负极金属，所述电容器导线包括正极电容器导线和负极电容器导线，所述正极电容器导线与正极金属连接，所述负极电容器导线与负极金属连接。
9.如权利要求1所述的地聚物基超级电容器，其特征在于，所述地聚物基超级电容器的能量密度为16～20W·h/kg。
10.一种如权利要求1～9所述的地聚物基超级电容器的制备方法，其特征在于，包括：
制备导电浆料；
将金属电极置于模具中，并将电容器导线连接到金属电极上；
将导电浆料分n次浇筑到模具中，并让电容器导线伸出导电浆料，n≥1；
养护若干天后，得到所述地聚物基超级电容器。
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