CN113666654B - 一种用于制备超级电容器的导电浆料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于制备超级电容器的导电浆料及其制备方法，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。导电浆料固化后形成的地聚物孔隙率高，并含有大量的自由离子，可定向移动产生电流，并可作为具有储电性能的建筑材料。
Description
技术领域
本发明涉及超级电容器技术领域，尤其涉及一种用于制备超级电容器的导电浆料及其制备方法。
背景技术
导电混凝土是一种特种混凝土，其基本原理是导电材料部分或全部取代混凝土中的普通骨料，它是具有符合规定的电性能和一定的力学性能的特种混凝土。导电混凝土具备热和电的感知和转换能力，这就使得它不仅能作为一种建筑承载材料使用，而且还将在电工、电子、电磁干扰屏蔽、防静电、电加热器、钢筋阴极保护、建筑地面采暖、路面除冰融雪等方面发挥重要作用。因此关于导电混凝土的研究受到越来越广泛的关注。
常规导电混凝土的做法是使用导电添加剂来诱导水泥基材料中的导电性，如碳纤维(CFs)，钢纤维，石墨烯等，这些添加剂本身是电的良导体。导电添加剂在水泥基材料中互相连接形成良导体通路而导电。目前的技术只开发了建筑材料本身的导电性能，而没有开发建筑材料的储电性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于制备超级电容器的导电浆料，导电浆料固化后形成的地聚物孔隙率高，并含有大量的自由离子，可定向移动产生电流。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种用于制备超级电容器的导电浆料，导电浆料固化后形成的地聚物电阻率低，可作为具有储电性能的建筑材料。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于制备超级电容器的导电浆料的制备方法，工艺简单，导电浆料固化后形成的地聚物孔隙率高，并含有大量的自由离子，可定向移动产生电流。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于制备超级电容器的导电浆料，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溶液的浓度均为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，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。
作为上述方案的改进，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。
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％。
作为上述方案的改进，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，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。
相应地，本发明还提供了一种上述的用于制备超级电容器的导电浆料的制备方法，包括：
将改性粉煤灰、改性碱激发剂和离子增强剂混合，在800～1500r/min的转速下搅拌1～5min，得到用于制备超级电容器的导电浆料。
实施本发明，具有如下有益效果：
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。
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。
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。
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％。
本发明导电浆料形成的地聚物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。
具体实施方式
本发明提供的一种用于制备超级电容器的导电浆料，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溶液的浓度均为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。
具体的，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。
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％。
本发明导电浆料形成的地聚物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。
相应地，本发明还提供了一种用于制备超级电容器的导电浆料的制备方法，包括：
将改性粉煤灰、改性碱激发剂和离子增强剂混合，在800～1500r/min的转速下搅拌1～5min，得到用于制备超级电容器的导电浆料。
下面将以具体实施例来进一步阐述本发明
实施例1
S1、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；
S2、将2份氯化锂和2份氟化钠混合均匀，得到离子增强剂：
S3、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；
S4、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，得到用于制备超级电容器的导电浆料。
实施例1的导电浆料固化28天后，所形成的地聚物的电阻率为0.1±0.02Ω·m。
实施例2
S1、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；
S2、将3份氯化锂和3份氟化钠混合均匀，得到离子增强剂：
S3、将5份含硅95％、细度为400目的硅铁粉加入30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；
S4、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，得到用于制备超级电容器的导电浆料。
实施例2的导电浆料固化28天后，所形成的地聚物的电阻率为0.08±0.02Ω·m。
对比例1
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。
实施例3的浆料固化28天后，所形成的地聚物的电阻率为52.5Ω·m。
由于普通的粉煤灰中含有碳粉颗粒，因此普通粉煤灰形成的地聚物具有微弱的导电性能，但不具有储电性能。
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 (9)
1.一种用于制备超级电容器的导电浆料，其特征在于，由改性粉煤灰、改性碱激发剂和离子增强剂组成；
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。
2.如权利要求1所述的用于制备超级电容器的导电浆料，其特征在于，NaOH溶液和NaHCO3溶液的浓度均为0.7～1.5mol/L，NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＝(2～5):1。
3.如权利要求1或2所述的用于制备超级电容器的导电浆料，其特征在于，改性溶液的质量：普通粉煤灰的质量＝(8～15)：1。
4.如权利要求1所述的用于制备超级电容器的导电浆料，其特征在于，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。
5.如权利要求1所述的用于制备超级电容器的导电浆料，其特征在于，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。
6.如权利要求1或5所述的用于制备超级电容器的导电浆料，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％。
7.如权利要求1或5所述的用于制备超级电容器的导电浆料，其特征在于，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所述的用于制备超级电容器的导电浆料，其特征在于，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。
9.一种如权利要求1～8任一项所述的用于制备超级电容器的导电浆料的制备方法，包括：
将改性粉煤灰、改性碱激发剂和离子增强剂混合，在800～1500r/min的转速下搅拌1～5min，得到用于制备超级电容器的导电浆料。
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