CN206991959U - 一种开放式三维多孔蜂窝状石墨电极 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种开放式三维多孔蜂窝状石墨电极，电极结构由三个正六边形的蜂窝状单元层组成，每个单元层由三个2D结构的次单元层累积叠加组成一定高度，形成立体状蜂窝结构，保证彼此之间有良好的接触性，每个2D结构的次单元层的纵向和横向都开有有若干个小孔，孔与孔之间互相联通，增大了电极结构的比表面积。本实用新型所述的石墨电极在确保具有超大的功率密度和能量密度的同时，还具有较佳比电容，可显著提高超级电容器性能，是一种新型的超级电容器用的开放式石墨电极。

Description

一种开放式三维多孔蜂窝状石墨电极
技术领域
本实用新型设计一种开放式三维多孔蜂窝状石墨电极，属于超级电容器用开放式石墨电极设计制备领域。
背景技术
超级电容器作为一种清洁、高效的新型储能器件，受到越来越多研究人员的关注。性能介于传统电容器和化学电池之间。相比于传统电容器，超级电容器的能量密度提高了3~4个数量级；与化学电池相比，超级电容器仍然具有高放电功率。超级电容器通常包含双电极、电解质、集流体、隔离物四个部件。超级电容器在结构上与电解电容器非常相似，它们的主要区别在于电极材料。因此制备有效的电解液和设计合理的电极结构对于超级电容器的研究至关重要。研究表明，电极材料比表面积越大，其电荷储存能力越强，可以给超级电容器中电解质离子提供更多的运输空间和有效的离子迁移率，提高电解液与离子的接触，进一步有效提高超级电容器的比电容。在超级电容器电极材料中，研究最早技术最成熟的是炭基材料，其研究是从1957年Beck发表的相关专利开始的。碳基材料之所以成为制备超级电容器电极的首选材料，是因为它们通常具有以下特点：（1）比表面积大、孔隙结构发达且开口气孔率高，能吸附大量电解质溶液；（2）在各种酸、碱溶液中的化学稳定性高；（3）在很宽的温度范围内性能稳定；（4）易加工成各种形状的电极；（5）价格低廉、来源丰富；（6）不含有重金属，对环境无污染。
目前，超级电容器常用电极结构包括互相交错的叉指状、梳齿状、圆筒状的二维平面结构和三维结构，二维结构的电极常基于MEMS技术制备成微米甚至纳米级的超薄电极薄膜，然后组装成互相叠加的三明治结构应用于超级电容器中。近几年，科研工作者对三维结构的电极和电化学性能进行了研究和探索，其中包括柱状、草地状、塔式等三维结构，该结构能够增加电极中活性材料与电解液离子的接触面积，进一步提高超级电容器中的比电容、能量密度和功率密度，Gao 等比较了平行柱状、同心圆环状电极以及梳状电极的储能能力，发现在活性层厚度相同的前提下同心圆环电极储能能力最佳，其比电容可到达0.51F/cm2，容量电容达到3.1F/cm3。
上述类型的超级电容器用石墨电极，虽然涉及到二维平面结构和三维结构，但是结构大多为平面或对称结构。结构比较单一、简单，因此对超级电容器电极结构设计尚处于探索阶段，特别是异型石墨电极结构对超级电容器的性能影响国内外尚未对此方面进行相关报道。
实用新型内容
本实用新型的目的针对现有超级电容器电极结构单一化、简单化和比表面积小等特点，提供一种开放式三维多孔蜂窝状石墨电极。
为了解决上述技术问题，本实用新型提出以下技术方案：一种开放式三维多孔蜂窝状石墨电极，该蜂窝状石墨电极的主体为多个六边形蜂窝状单元层组成，每个单元层由多个长方体结构的次单元层累积叠加组成一定高度，形成立体状蜂窝结构，电极下端设置集流体基材。
所述次单元层的长方体结构上都加工有多个纵向孔和横向孔，所述纵向孔和横向孔交叉布置，并相互连通。
所述纵向孔和横向孔的形状采用三角形、圆形或正方形。
所述蜂窝状石墨电极的母材采用碳基材料制成。
所述碳基材料采用活性碳、碳纳米纤维、洋葱碳、碳化物衍生碳、碳纳米管、石墨烯、中间相碳微球或碳气凝胶。
本实用新型有如下有益效果：
所述的开放式三维多孔蜂窝状石墨电极，具有超大的比表面积和大量可供电解质离子通过的微孔，可显著提高超级电容器的性能。
所述的开放式三维多孔蜂窝状石墨电极，呈立体蜂窝状且表面分布无数孔洞在增大电极的比表面积的同时，可提高电极的机械强度，避免电极的脱落。
所述的开放式三维多孔蜂窝状石墨电极，可通过电极表面无数孔洞调节母料中石墨原材料的含量来调节可供电解质离子通过的微孔数量，进一步提高电极的电化学性能。
从宏观角度来分析，制备超级电容器用开放式三维多孔蜂窝状石墨电极，为探讨通过完善电极的设计制造以提高超级电容器性能提供了一种有效的方法。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1为开放式三维多孔蜂窝状石墨电极结构示意图。
图2为开放式三维多孔蜂窝状石墨电极结构平面俯视图。
图3为三个2D结构的次单元层累积叠加组成单元层示意图。
图中：立体蜂窝状石墨电极1、集流体薄膜基材2、纵向孔3、横向孔4。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施方式做进一步的说明。
如图1-3，一种开放式三维多孔蜂窝状石墨电极，该蜂窝状石墨电极1的主体为多个六边形蜂窝状单元层组成，每个单元层由多个长方体结构的次单元层累积叠加组成一定高度，形成立体状蜂窝结构，电极下端设置集流体基材2。可显著提高该电极的力学性能。
进一步的，所述次单元层的长方体结构上都加工有多个纵向孔3和横向孔4，所述纵向孔3和横向孔4交叉布置，并相互连通。可以显著增大该电极结构的比表面积。
进一步的，所述纵向孔3和横向孔4的形状采用三角形、圆形或正方形。
进一步的，所述蜂窝状石墨电极1的母材采用碳基材料制成。
进一步的，所述碳基材料采用活性碳、碳纳米纤维、洋葱碳、碳化物衍生碳、碳纳米管、石墨烯、中间相碳微球或碳气凝胶。
进一步的，所述的开放式三维多孔蜂窝状石墨电极，其可供电解质离子通过的微孔数量，可以通过调整母料中石墨原料的含量来调整。
进一步的，所述的碳基材料须加入一定的添加剂，其中所述添加剂包括：粘结剂如PVA(聚乙烯醇)、聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素钠(CMC)；导电剂：导电炭黑、乙炔黑制备的浆料。
进一步的，所述的开放式三维蜂窝状石墨电极，是通过增材制造分层累积成型的方式制备的。
本实用新型的工作过程和工作原理为：
通过采用三维多孔结构具有超大的比表面积和大量可供电解质离子通过的微孔，可显著提高超级电容器的性能。呈立体蜂窝状且表面分布无数孔洞在增大电极的比表面积的同时，可提高电极的机械强度，避免电极的脱落。通过电极表面无数孔洞调节母料中石墨原材料的含量来调节可供电解质离子通过的微孔数量，进一步提高电极的电化学性能。
通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (5)

1.一种开放式三维多孔蜂窝状石墨电极，其特征在于：该蜂窝状石墨电极（1）的主体为多个六边形蜂窝状单元层组成，每个单元层由多个长方体结构的次单元层累积叠加组成一定高度，形成立体状蜂窝结构，电极下端设置集流体基材（2）。
2.根据权利要求1所述的一种开放式三维多孔蜂窝状石墨电极，其特征在于：所述次单元层的长方体结构上都加工有多个纵向孔（3）和横向孔（4），所述纵向孔（3）和横向孔（4）交叉布置，并相互连通。
3.根据权利要求2所述的一种开放式三维多孔蜂窝状石墨电极，其特征在于：所述纵向孔（3）和横向孔（4）的形状采用三角形、圆形或正方形。
4.根据权利要求1所述的一种开放式三维多孔蜂窝状石墨电极，其特征在于：所述蜂窝状石墨电极（1）的母材采用碳基材料制成。
5.根据权利要求4所述的一种开放式三维多孔蜂窝状石墨电极，其特征在于：所述碳基材料采用活性碳、碳纳米纤维、洋葱碳、碳化物衍生碳、碳纳米管、石墨烯、中间相碳微球或碳气凝胶。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110194676A (zh) * 2019-06-30 2019-09-03 太原理工大学 一种洋葱碳/石墨烯复合气凝胶及其制备和应用

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