TWI427651B - 超級電容器 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種超級電容器,尤其涉及一種基於奈米碳管之超級電容器。
超級電容器(supercapacitor)屬於雙電層電容器,具有較高的比功率和較長的循環壽命,工作溫度範圍寬等特點;因此,於移動通訊、資訊技術、電動汽車、航空航太和國防科技等領域都有著極其重要和廣闊的應用前景。
先前之超級電容器一般包括兩個電極、隔膜和電解液,該兩個電極和隔膜都設置於該電解液中;該兩個電極均包括一集電體以及設置於該集電體上的電極材料。其中,影響該超級電容器容量的決定因素係電極材料。理想之電極材料應具有結晶度高、導電性好、比表面積大、微孔集中於一範圍內(要求微孔大於2nm)等特點。先前之超級電容器電極材料主要有:活性碳系列和過渡金屬氧化物系列。活性碳系列的材料導電性較差,其作為電極會使電容器之等效串聯電阻較大;而且該活性碳系列的比表面積實際利用率不超過30%,電解液與該活性碳系列之電極難以充分接觸,因此,採用該活性碳系列材料作為電極之超級電容器的容量較小。過渡金屬氧化物用作電極材料於提高超級電容器之容量方面雖具有良好的效果,但其成本太高,無法推廣使用。
奈米碳管(Carbon Nanotube,CNT)係一種奈米級無縫管狀石墨結構的碳材料,其具有比表面積大,結晶度高,導電性好,奈米碳管之內外徑可通過合成工藝加以控制的特點,而且其比表面利用率可達到100%,因而可以成為一種理想之超級電容器材料。奈米碳管用作超級電容器材料之研究最早見諸於Chunming Niu等的報導(請參見High power electrochemical capacitors based on carbon nanotube electrodes,Apply Physics Letter,Chunming Niu et al.,vol 70,p1480-1482(1997))。他們將純的多壁奈米碳管粉末製成薄膜電極後,封裝制得一超級電容器。由於該薄膜電極係採用奈米碳管粉末作為原料製備的,而奈米碳管粉末極易發生團聚,這使得該薄膜電極不能充分發揮奈米碳管之性能,影響了電容器之性能,限制了電容器容量的提高。
為此,南京大學之張劍榮等人於2005年3月16日公開的,公開號為CN 1594212A的中國大陸發明專利申請公開說明書中提供了一種超級電容器電極材料無定形二氧化錳/多壁奈米碳管複合物。該無定形二氧化錳/多壁奈米碳管複合物中之奈米碳管之直徑係20至40奈米,長度係200奈米至5微米,無定形二氧化錳負載於奈米碳管表面。該二氧化錳/多壁奈米碳管複合物作為超級電容器之電極,雖然可以使得超級電容器之比電容得到提高,但由於該二氧化錳/多壁奈米碳管複合結構為粉末狀,其用作電極時需要金屬集電體。然而,所述之金屬集電體之質量一般比較重,因此使得所述超級電容器之質量比較重,從而使得所述超級電容器之總能量密度及總功率密度降低。
有鑒於此,確有必要提供一種具有較高的總能量密度及總功率密度的超級電容器。
一種超級電容器,其包括:一第一電極;一第二電極,該第二電極與所述第一電極間隔設置;一隔膜,該隔膜設置於所述第一電極與第二電極之間;以及一電解液,所述第一電極、第二電極及隔膜均設置於該電解液中,其中,所述第一電極為一奈米碳管複合結構,該奈米碳管複合結構為一自支撐結構,且包括一奈米碳管結構及設置於該奈米碳管結構表面的奈米級顆粒。
與先前技術相比較,本發明提供的超級電容器中之第一電極為奈米碳管複合結構,該奈米碳管複合結構具有自支撐之特點,可以直接作為超級電容器之電極,不需要金屬集電體,因此,使得超級電容器具有較大的總能量密度及總功率密度。
10,20‧‧‧超級電容器
101,201‧‧‧第一電極
102,202‧‧‧第二電極
105,205‧‧‧隔膜
106,206‧‧‧電解液
107,207‧‧‧外殼
110,210‧‧‧奈米碳管複合結構
112,212‧‧‧奈米碳管拉膜
1122,2122‧‧‧奈米碳管
114,214‧‧‧奈米級金屬氧化物顆粒
第1圖係本發明第一實施例提供的超級電容器之結構示意圖。
第2圖係本發明第一實施例中採用的奈米碳管複合結構的電子顯微鏡掃描照片。
第3圖係本發明第一實施例中採用的奈米碳管複合結構的俯視圖。
第4圖係本發明第一實施例中採用的奈米碳管複合結構中之單根奈米碳管之透射電子顯微鏡照片。
第5圖係本發明第二實施例提供的超級電容器之結構示意圖。
第6圖係本發明第二實施例中採用的奈米碳管複合結構的俯視圖
。
第7圖係本發明第二實施例中採用的奈米碳管複合結構中之單根奈米碳管透射電子顯微鏡照片。
第8圖係於10毫壓/秒之掃描速度下,本發明第一實施例、第二實施例及第三實施例提供的超級電容器之電壓-比電流曲線圖。
第9圖係於10安/克之比電流下,本發明第一實施例、第二實施例及第三實施例提供的超級電容器之充放電曲線圖。
第10圖係於30安/克之比電流下,本發明第一實施例、第二實施例及第三實施例提供的超級電容器之循環次數-比電容量曲線圖。
下面將結合附圖及具體實施例,對本發明提供的超級電容器作進一步的詳細說明。
請參閱圖1,本發明第一實施例提供一種超級電容器10,該超級電容器為平板型結構,包括:一第一電極101,一第二電極102,一隔膜105,一電解液106和一外殼107。所述電解液106設置於所述外殼107內。所述第一電極101、第二電極102以及所述隔膜105均設置於所述電解液106內。所述隔膜105設置於所述第一電極101和第二電極102之間,並分別與所述第一電極101和第二電極102間隔設置。
所述第一電極101為一奈米碳管複合結構,該奈米碳管複合結構為層狀或膜狀結構,其包括一奈米碳管結構及設置於該奈米碳管結構表面的奈米級顆粒。具體地,所述奈米碳管結構係由若干奈
米碳管組成的自支撐結構,所述奈米級顆粒設置於所述若干奈米碳管之表面。所述奈米碳管複合結構包括複數個微孔,該複數個微孔係由所述奈米碳管結構中之若干奈米碳管之間存在的間隙而形成的,該微孔的尺寸不大於10微米,該複數個微孔佔所述奈米碳管結構的大部分體積。所述複數個微孔的存在使得所述奈米碳管複合結構的比表面積比較大,可以促進該超級電容器10的快速充放電,進而提高該超級電容器10的比電容量。
所述奈米碳管結構係自支撐結構,即為奈米碳管結構不需要大面積的載體支撐,而只要相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身狀態,也就是說,將該奈米碳管結構置於(或固定於)間隔設置的兩個支撐體上時,位於兩個支撐體之間的奈米碳管結構能夠懸空保持自身狀態。所述自支撐主要通過奈米碳管結構中存在連續的通過範德瓦爾力首尾相連延伸排列的奈米碳管而實現。
所述奈米碳管結構為一層狀或膜狀結構,其包括至少一奈米碳管膜,至少一奈米碳管線狀結構或其組合。當所述奈米碳管結構包括複數個奈米碳管膜時,該奈米碳管膜可以基本平行無間隙共面設置或層疊設置。當所述奈米碳管結構僅包括一奈米碳管線狀結構時,該奈米碳管線狀結構可以折疊或纏繞成一層狀奈米碳管結構。當所述奈米碳管結構包括複數個奈米碳管線狀結構時,該複數個奈米碳管線狀結構可以平行設置、交叉設置或編織成一層狀奈米碳管結構。當所述奈米碳管結構包括奈米碳管膜及奈米碳管線狀結構時,可以將奈米碳管線狀結構設置於奈米碳管膜的至少一個表面。由於該奈米碳管結構中之奈米碳管具有很好的柔韌性,使得該奈米碳管結構具有很好的柔韌性,可以彎曲折疊成任意
形狀而不易破裂。
所述奈米碳管膜由若干奈米碳管組成,該奈米碳管膜中大多數奈米碳管之延伸方向基本平行於該奈米碳管膜的表面。所述奈米碳管膜中之奈米碳管無序排列或有序排列。所謂無序排列係指奈米碳管之排列方向無規則。所謂有序排列係指奈米碳管之排列方向有規則。具體地,當奈米碳管結構包括無序排列的奈米碳管時,奈米碳管相互纏繞或者各向同性排列;當奈米碳管結構包括有序排列的奈米碳管時,奈米碳管沿一個方向或者複數個方向擇優取向排列。所謂“擇優取向”係指所述奈米碳管結構中之大多數奈米碳管於一個方向或幾個方向上具有較大的取向幾率;即,該奈米碳管結構中之大多數奈米碳管之軸向基本沿同一方向或幾個方向延伸。所述奈米碳管膜包括奈米碳管拉膜、奈米碳管碾壓膜和奈米碳管絮化膜。
該奈米碳管結構中之奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中之一種或多種。所述單壁奈米碳管之直徑為0.5奈米至50奈米,雙壁奈米碳管之直徑為1.0奈米至50奈米,多壁奈米碳管之直徑為1.5奈米至50奈米。所述奈米碳管之長度大於50微米。優選地,該奈米碳管之長度優選為200微米至900微米。
所述奈米碳管拉膜係由若干奈米碳管組成的自支撐結構。所述若干奈米碳管沿同一方向擇優取向排列。該奈米碳管拉膜中大多數奈米碳管之整體延伸方向基本朝同一方向。而且,所述大多數奈米碳管之整體延伸方向基本平行於奈米碳管拉膜的表面。進一步地,所述奈米碳管拉膜中多數奈米碳管係通過範德瓦爾力首尾相
連。具體地,所述奈米碳管拉膜中基本朝同一方向延伸的大多數奈米碳管中每一奈米碳管與於延伸方向上相鄰的奈米碳管通過範德瓦爾力首尾相連。當然,所述奈米碳管拉膜中存在少數隨機排列的奈米碳管,這些奈米碳管不會對奈米碳管拉膜中大多數奈米碳管之整體取向排列構成明顯影響。所述奈米碳管拉膜不需要大面積的載體支撐,而只要相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身膜狀狀態,即將該奈米碳管膜置於(或固定於)間隔一定距離設置的兩個支撐體上時,位於兩個支撐體之間的奈米碳管膜能夠懸空保持自身膜狀狀態。
具體地,所述奈米碳管拉膜中基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管,並非絕對的直線狀,可以適當的彎曲;或者並非完全按照延伸方向上排列,可以適當的偏離延伸方向。因此,不能排除奈米碳管拉膜的基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管中並列的奈米碳管之間可能存在部分接觸。
具體地,所述奈米碳管拉膜包括複數個連續且定向排列的奈米碳管片段。該複數個奈米碳管片段通過範德瓦爾力首尾相連。每一奈米碳管片段包括複數個相互平行的奈米碳管,該複數個相互平行的奈米碳管通過範德瓦爾力緊密結合。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該奈米碳管拉膜中之奈米碳管沿同一方向擇優取向排列。
該奈米碳管拉膜中之奈米碳管之間形成複數個微孔,該複數個微孔佔據該奈米碳管拉膜的大部分體積,如,微孔的體積可以達到奈米碳管拉膜體積的70%。所述奈米碳管拉膜可通過從奈米碳管陣列直接拉取獲得。單層奈米碳管拉膜的厚度可為0.5奈米至100
微米。可以理解,通過將複數個奈米碳管拉膜平行且無間隙共面鋪設或/和層疊鋪設,可以製備不同面積與厚度的奈米碳管結構。當奈米碳管結構包括複數個層疊設置的奈米碳管拉膜時,相鄰的奈米碳管拉膜中之奈米碳管之排列方向形成一夾角α,0°≦α≦90°。所述奈米碳管拉膜的結構及其製備方法請參見範守善等人於2008年8月16日公開的第200833862號中華民國公開專利申請公佈本。
所述奈米碳管碾壓膜由均勻分佈的複數個奈米碳管組成,該複數個奈米碳管無序、沿同一方向或不同方向擇優取向排列,該複數個奈米碳管之軸向沿同一方向或不同方向延伸。所述奈米碳管碾壓膜中之奈米碳管相互部分交疊,並通過範德瓦爾力相互吸引,緊密結合,從而形成一自支撐結構。另外,所述奈米碳管碾壓膜越厚,越有利於其具有自支撐功能,如奈米碳管碾壓膜的厚度大於1微米時,就具有良好的自支撐功能。所述奈米碳管碾壓膜可通過碾壓一奈米碳管陣列獲得。該奈米碳管陣列形成於一基底表面,所製備的奈米碳管碾壓膜中之奈米碳管與該奈米碳管陣列之基底的表面成一夾角β,其中,β大於等於0度且小於等於15度(0°≦β≦15°)。優選地,所述奈米碳管碾壓膜中之奈米碳管之軸向基本平行於該奈米碳管碾壓膜的表面。依據碾壓的方式不同,該奈米碳管碾壓膜中之奈米碳管具有不同的排列形式。所述奈米碳管碾壓膜的面積和厚度不限,可根據實際需要選擇。所述奈米碳管碾壓膜的面積與奈米碳管陣列的尺寸基本相同。所述奈米碳管碾壓膜厚度與奈米碳管陣列的高度以及碾壓的壓力有關,可為1微米~1毫米。所述奈米碳管碾壓膜及其製備方法請參見範守善等人於2009年1月1日公開的第200900348號中華民國專利申請
公佈本。
所述奈米碳管絮化膜包括相互纏繞的奈米碳管,該奈米碳管長度可大於10釐米。所述奈米碳管之間通過範德瓦爾力相互吸引、纏繞形成網路狀結構,以形成一自支撐的奈米碳管絮化膜。另外,所述奈米碳管絮化膜越厚,越有利於其具有自支撐功能,如奈米碳管絮化膜的厚度大於1微米時,就具有良好的自支撐功能。所述奈米碳管絮化膜各向同性。所述奈米碳管絮化膜中之奈米碳管為均勻分佈,無規則排列,形成大量的微孔結構。可以理解,所述奈米碳管絮化膜的長度、寬度和厚度不限,可根據實際需要選擇。所述奈米碳管絮化膜的厚度為1微米至1毫米,優選為100微米。所述奈米碳管絮化膜及其製備方法請參見2008年11月16日公開的第200844041號中華民國專利申請公佈本。
所述奈米碳管線狀結構包括至少一個奈米碳管線,該奈米碳管線可為一非扭轉之奈米碳管線或扭轉的奈米碳管線。
所述非扭轉之奈米碳管線由若干奈米碳管組成,該若干奈米碳管之軸向基本沿平行於該非扭轉之奈米碳管線軸向方向延伸。非扭轉之奈米碳管線可通過將奈米碳管拉膜通過有機溶劑處理得到。具體地,該奈米碳管拉膜包括複數個連續且定向排列的奈米碳管片段。該複數個奈米碳管片段通過範德瓦爾力首尾相連。每一奈米碳管片段包括複數個相互平行並通過範德瓦爾力緊密結合的奈米碳管。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該非扭轉之奈米碳管線長度不限,直徑為0.5奈米至1毫米。具體地,可將有機溶劑浸潤所述奈米碳管拉膜的整個表面,於揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力之作用下,奈米碳管拉膜中之
相互平行的複數個奈米碳管通過範德瓦爾力緊密結合,從而使奈米碳管拉膜收縮為一非扭轉之奈米碳管線。該有機溶劑為揮發性有機溶劑,如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿,本實施例中採用乙醇。通過有機溶劑處理的非扭轉奈米碳管線與未經有機溶劑處理的奈米碳管膜相比,比表面積減小,黏性降低。
所述扭轉的奈米碳管線由若干奈米碳管組成,該若干奈米碳管之軸向繞該扭轉的奈米碳管線的軸向方向螺旋延伸。該奈米碳管線可採用一機械力將所述奈米碳管拉膜兩端沿相反方向扭轉獲得。進一步地,可採用一揮發性有機溶劑處理該扭轉的奈米碳管線。於揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下,處理後的扭轉的奈米碳管線中相鄰的奈米碳管通過範德瓦爾力緊密結合,使扭轉的奈米碳管線的比表面積減小,密度及強度增大。
所述奈米碳管線及其製備方法請參見2008年11月21日公告的,公告號為I303239的中華民國專利公告本;以及於2009年7月21日公告的,公告號為I312337的中華民國專利公告本。
當所述奈米碳管線狀結構包括複數個奈米碳管線時,該複數個奈米碳管線平行設置組成一束狀結構或該複數個奈米碳管線相互扭轉組成一絞線結構。另外,所述奈米碳管線中相鄰奈米碳管間存在間隙,故該奈米碳管線狀結構具有大量微孔,且微孔的孔徑約小於10微米。
所述奈米級顆粒設置於所述若干奈米碳管之表面。具體地,所述奈米級顆粒可以間隔地形成於每一個奈米碳管之表面;也可以連續地設置於每一個奈米碳管之表面以形成一層,並包覆於奈米碳管之表面。所述奈米級顆粒能夠促進所述超級電容器10的快速充
放電,進而提高該超級電容器10的電容。所述奈米級顆粒不與所述電解液106發生化學反應;優選地,該奈米級顆粒為奈米級金屬氧化物顆粒、奈米級金屬顆粒或兩者之組合物。所述奈米級金屬氧化物顆粒為二氧化錳顆粒(MnO2)、四氧化三鈷顆粒(Co3O4)、一氧化鎳顆粒(NiO)、氧化釕顆粒(RuO2)及氧化銥顆粒(IrO2)中之一種或幾種。所述奈米級金屬顆粒為銅顆粒、鎳顆粒、金顆粒、銀顆粒、鈀顆粒、釕顆粒、鉑及銠顆粒中之一種或幾種。所述奈米級顆粒的大小範圍為1奈米-100奈米;優選地,所述奈米級顆粒的範圍為1奈米-50奈米。所述奈米級顆粒於所述奈米碳管複合結構中之質量百分含量大於0且小於100%,優選地,所述奈米級金屬顆粒於所述奈米碳管複合結構中之質量百分含量大於50%且小於70%。
請參閱圖2至圖4,本實施例中,所述第一電極101為奈米碳管複合結構110。所述奈米碳管複合結構110由二十層層疊設置的奈米碳管拉膜112組成的一奈米碳管結構及設置於該奈米碳管結構表面的奈米級金屬氧化物顆粒114組成。每一層奈米碳管拉膜112由若干奈米碳管1122組成,且相鄰的奈米碳管拉膜中之奈米碳管1122的軸向之間的夾角為90°。該二十層層疊設置的奈米碳管拉膜112的厚度大約為500奈米,其表面密度大約為27微克/平方釐米,其方塊電阻為50歐。所述奈米級金屬氧化物顆粒114為MnO2顆粒,MnO2顆粒間隔分佈於每一個奈米碳管1122的表面,且於該奈米碳管複合結構110中之質量百分含量大約為62%;該MnO2顆粒的大小約為5奈米。因此,該奈米碳管複合結構110為一奈米碳管/MnO2複合結構。
所述第二電極102的材料與第一電極101的材料可以相同,也可以為其他的電極材料,如活性炭、過渡金屬氧化物等。本實施例中,所述第二電極102的材料與第一電極101的材料相同,均為奈米碳管複合結構110。由於奈米碳管複合結構110具有自支撐的特點,所以其作為電極應用到該超級電容器10時,不需要另外的集電體,其自身就可以作為集電體。
所述隔膜105為玻璃纖維或者聚合物膜,其允許所述電解液106中之電解質離子流通而阻止所述第一電極101和第二電極102相接觸。
所述電解液106為氫氧化納水溶液、氫氧化鉀水溶液、硫酸水溶液、硝酸水溶液、硫酸鈉水溶液、硫酸鉀水溶液、高氯酸鋰的碳酸丙烯酯溶液、四氟硼酸四乙基銨的碳酸丙烯酯溶液,或以上任意組合的混合液。本實施例中,所述電解液106為0.5摩爾/升的硫酸鈉溶液。
所述外殼107為玻璃外殼或者不銹鋼外殼。本實施例中,所述外殼107為玻璃。
可以理解,該超級電容器之結構類型不限,還可以係硬幣型電容器或者繞卷型溶劑電容器。
對本實施例提供的超級電容器10進行工作電性能測試,請參閱圖8-10,結果表明:本實施例中之超級電容器10具有較高充放電效率和比電容量,較好的穩定性,及良好的循環充放電性能。其中,該超級電容器10於10安/克電流之情況下,其充放電時間大於120秒;平均質量比電容量大約為508法/克,體積比電容量大約
為800法/立方釐米。當該超級電容器10經過2500次循環後,其比電容量的損失不超過4.5%。經過計算,該超級電容器10的能量密度大約為30瓦‧小時/千克,功率密度大約為110千瓦/千克。
請參閱圖5,本發明第二實施例提供一種超級電容器20,該超級電容器20的結構與第一實施例提供的超級電容器10的結構基本相同。該超級電容器20也為平板型超級電容器,其包括:一第一電極201,一第二電極202,一隔膜205,一電解液206和一外殼207。所述超級電容器20與所述超級電容器10的不同之處在於:所述第一電極201及第二電極202的材料與第一實施例中之第一電極101及第二電極102的材料不同,所述電解液206為1摩爾/升的氫氧化鉀溶液。
所述第一電極201及第二電極202均為奈米碳管複合結構210,該奈米碳管複合結構210具體請參閱圖6及圖7,所述奈米碳管複合結構210由二十層奈米碳管拉膜212組成的一奈米碳管結構及設置於該奈米碳管結構表面的奈米級金屬氧化物顆粒214組成。每個奈米碳管拉膜212由若干奈米碳管2122組成。所述奈米碳管結構的具體結構與第一實施例中之奈米碳管複合結構110中之奈米碳管結構相同。所述奈米級金屬氧化物顆粒214為Co3O4顆粒,Co3O4顆粒間隔設置於每一個奈米碳管2122的表面,且於該奈米碳管複合結構210中之質量百分含量大約為54%,該Co3O4顆粒的尺寸大小約為10奈米。因此,該奈米碳管複合結構210為一奈米碳管/Co3O4複合結構。
對本實施例提供的超級電容器20進行工作性能測試,請參閱圖8-10。該超級電容器20於10安/克電流的情況下,其充放電時間
大於45秒;該超級電容器20的瞬間比電容量比較高超過1100法/克。當該超級電容器20經過2500次循環後,其比電容量的損失不超過4.5%;因此,該超級電容器20的穩定性比較好。經過計算:該超級電容器20的平均質量比電容量大約為302法/克,體積比電容量大約為470法/立方釐米。
本發明第三實施例也提供一超級電容器,該超級電容器與第二實施例提供的超級電容器20基本相同。不同之處在於,該第三實施例提供的超級電容器中之第一電極及第二電極的材料與第二實施例的超級電容器20中之第一電極201及第二電極202的材料不同。該第三實施例中之第一電極及第二電極的材料為奈米碳管/NiO複合結構。該奈米碳管/NiO複合結構與第二實施例中之奈米碳管複合結構210相似;不同之處在於,該奈米碳管/NiO複合結構中之奈米級金屬氧化物顆粒與奈米碳管複合結構210中之奈米級金屬氧化物顆粒214不同。本實施例中之奈米級金屬氧化物顆粒為NiO顆粒,NiO顆粒於該奈米碳管/NiO複合結構中之質量百分含量大約為51%。對採用該奈米碳管/NiO複合結構的超級電容器進行工作性能測試,請參閱圖8-10。該第三實施例提供的超級電容器於10安/克電流之情況下,其充放電時間大於30秒;其瞬間質量比電容量較高,超過1500法/克。當該超級電容器經過2500次循環後,其比電容量的損失也不超過4.5%,故其穩定性比較好。經過計算:該第三實施例提供的超級電容器之平均質量比電容量大約為336法/克,體積比電容量大約為530法/立方釐米。
本發明實施例提供的超級電容器具有以下優點:第一,所述超級電容器之電極由於採用具有自支撐功能的奈米碳管複合結構,所
以不需要另外之集電體,該奈米碳管複合結構本身就可以作為集電體,從而簡化了超級電容器之結構。且該奈米碳管複合結構的質量要小於金屬集電體之質量,因此採用該奈米碳管複合結構的超級電容器具有較高的總能量密度及總功率密度,尤其係採用奈米碳管/MnO2複合結構之超級電容器。第二,所述奈米碳管複合結構包括大量微孔,該大量微孔之存在增大了該奈米碳管複合結構之比表面積,使得所述電解液與該奈米碳管複合結構充分接觸,從而可以促進超級電容器快速充放電,進而提高超級電容器之電容量。第三,本發明實施例提供的超級電容器經過2500次循環後,其比電容量的損失也不超過4.5%,實驗證明,該超級電容器之穩定性比較好。
綜上所述,本發明確已符合發明專利之要件,遂依法提出專利申請。惟,以上所述者僅為本發明之較佳實施例,自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化,皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧超級電容器
101‧‧‧第一電極
102‧‧‧第二電極
105‧‧‧隔膜
106‧‧‧電解液
107‧‧‧外殼
Claims (13)
- 一種超級電容器,其包括:一第一電極;一第二電極,該第二電極與所述第一電極間隔設置;一隔膜,該隔膜設置於所述第一電極與第二電極之間;以及一電解液,所述第一電極、第二電極及隔膜均設置於該電解液中,其改良在於,所述第一電極為一奈米碳管複合結構,該奈米碳管複合結構為一自支撐結構,且包括一奈米碳管結構及設置於該奈米碳管結構表面的奈米級顆粒,所述奈米級顆粒於所述奈米碳管複合結構中之質量百分含量大於50%且小於70%。
- 如請求項1所述之超級電容器,其中,所述奈米碳管結構由若干奈米碳管組成,所述奈米級顆粒設置於該若干奈米碳管之表面。
- 如請求項1所述之超級電容器,其中,所述奈米碳管複合結構具有複數個微孔。
- 如請求項1所述之超級電容器,其中,所述奈米級顆粒為奈米級金屬氧化物顆粒、奈米級金屬顆粒或兩者之組合物。
- 如請求項4所述之超級電容器,其中,所述奈米級金屬氧化物顆粒為二氧化錳顆粒、四氧化三鈷顆粒、一氧化鎳顆粒、氧化釕顆粒及氧化銥顆粒中之一種或任意組合物。
- 如請求項4所述之超級電容器,其中,所述奈米級金屬顆粒為銅顆粒、鎳顆粒、金顆粒、銀顆粒、鈀顆粒、釕顆粒、鉑及銠顆粒中之一種或任意組合物。
- 如請求項1所述之超級電容器,其中,所述奈米碳管結構為至少一個奈米 碳管膜、至少一個奈米碳管線狀結構或兩者組合。
- 如請求項7所述之超級電容器,其中,所述奈米碳管結構包括複數個奈米碳管膜,該複數個奈米碳管膜基本平行無間隙共面設置或層疊設置。
- 如所述之超級電容器,其中,所述奈米碳管膜由若干奈米碳管組成,該奈米碳管膜中大多數奈米碳管之延伸方向平行於該奈米碳管膜的表面。
- 如請求項9所述之超級電容器,其中,所述奈米碳管膜中大多數奈米碳管與於延伸方向上相鄰的奈米碳管通過範德瓦爾力首尾相連。
- 如請求項9所述之超級電容器,其中,所述奈米碳管膜由均勻分佈的複數個奈米碳管組成,該奈米碳管相互部分交疊,並通過範德瓦爾力相互吸引,緊密結合。
- 如請求項9所述之超級電容器,其中,所述奈米碳管膜包括通過範德瓦爾力相互纏繞的奈米碳管。
- 如請求項7所述之超級電容器,其中,所述奈米碳管線狀結構包括至少一奈米碳管線,該至少一奈米碳管線由若干奈米碳管組成,該若干奈米碳管之軸向基本沿平行於該奈米碳管線的軸向方向延伸或繞該奈米碳管線的軸向方向螺旋延伸。
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