技术领域
[0001] 本
发明属于超级电容器技术领域,尤其涉及一种具有良好的可逆性、电化学
稳定性和抗弯曲性能的超级电容器。
背景技术
[0002] 超级电容器是一种高效、环保、新型的储能元件,其兼具传统电容器和
电池的许多优点,如
能量密度高、使用寿命长、稳定性高、安全系数高、环保、快速充放电等,在消费
电子、轨道交通、航空航天、军事、国防等各领域均有着广阔的应用空间和发展前景,逐渐成为人们发展研究的重点。
[0003] 但是,
现有技术中的超级电容器的可逆性还不够好,电化学稳定性也较差,抗弯曲性更是不理想,不能满足人们对超级电容器越来越高的要求。
[0004] 有鉴于此,确有必要提供一种有良好的可逆性、电化学稳定性和抗弯曲性能的超级电容器,以满足人们的需求。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于:针对现有技术的不足,而提供一种有良好的可逆性、电化学稳定性和抗弯曲性能的超级电容器,以满足人们的需求。
[0006] 为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:一种超级电容器,包括
电极片、隔离膜、极柱和
外壳,所述电极片包括集
流体、设置于所述集流体表面的底层涂层和设置于所述底层涂层表面的顶层涂层,所述底层涂层和所述顶层涂层均包括活性物质、导电剂和粘接剂,并且所述底层涂层的粘接剂含量小于所述顶层涂层的粘接剂的含量;
所述底层涂层和所述顶层涂层的活性物质均包括
碳材料和导电
聚合物,所述碳材料和所述导电聚合物的
质量比为(70~95):(5~30);
所述碳材料具有
核壳结构,其核层包括
石墨烯
纤维和碳
纳米管,其壳层为二
氧化锰功能层,所述
石墨烯纤维和
碳纳米管的质量比为(50~80):(20~50);
所述导电聚合物为聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯中的至少一种。
[0007] 作为本发明超级电容器的一种改进,所述石墨烯纤维的直径为500nm-3μm,所述石墨烯纤维的长度为5μm-2mm,所述石墨烯纤维的强度为100MPa-300MPa,所述石墨烯纤维的导电率为2000S/m-5000S/m。
[0008] 作为本发明超级电容器的一种改进,所述碳纳米管为单管壁的碳纳米管,并且所述碳纳米管的管径为2nm-8nm,所述碳纳米管的壁厚为0.6nm-2nm。
[0009] 作为本发明超级电容器的一种改进,所述导电聚合物的重均分子量为5000~100000。
[0010] 作为本发明超级电容器的一种改进,所述二氧化锰功能层的厚度为80nm-1.5μm。
[0011] 作为本发明超级电容器的一种改进,所述导电剂为
乙炔黑或
炭黑。
[0012] 作为本发明超级电容器的一种改进,所述粘接剂为聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。
[0013] 作为本发明超级电容器的一种改进,所述底层涂层的粘接剂的质量含量为5%-8%,所述顶层涂层的粘接剂的含量为1%-4%。
[0014] 作为本发明超级电容器的一种改进,所述碳材料的制备方法包括如下步骤:第一步,三电极体系的构建:
电解液:0.5mol/L-2mol/L的MnSO4
水溶液;
工作电极:石墨烯纤维和碳纳米管的混合物;
对电极:直径为0.5mm-2mm的铂丝;
参比电极:Ag/AgCl,2mol/L-4mol/L的KCl;
第二步,
阴极恒
电流沉积:设置阴极电极电流为200μA/cm2-600μA/cm2,沉积时间为
10min-1h,将沉积产物反复冲洗干净,冻干,即得。
[0015] 相对于现有技术,本发明的活性物质具有核壳结构,其核层包括石墨烯纤维和碳纳米管,其壳层为二氧化锰功能层,石墨烯纤维、碳纳米管和二氧化锰充分发挥了过渡金属氧化物和碳材料的协同效应,从而最大化的发挥每种组分的潜
力,使其尽可能的得到充分利用,电化学性能得到改善。具体而言,将具有较高电子
导电性的石墨烯纤维和碳纳米管与具有较高赝电容的二氧化锰相结合,二氧化锰又可缩短电子移动传输的路径,从而可以大幅度改善
复合材料的
比容量和循环性能。而且由于纤维具有较好的柔韧性,使得本发明表现出较高的抗弯曲和形变能力,因此本发明可在穿戴设备方面使用。
[0016] 此外,二氧化锰
纳米粒子沉积在石墨烯上,二者间良好的界面
接触增加了电极的导电性及其与电解液间的接触面积,使MnO2的有效利用率大大提高,表现出了良好的可逆性和电化学稳定性,具体而言,二氧化锰纳米粒子通过隧道效应(量子效应),实现高效可逆
氧化还原反应,产生赝电容,并与石墨烯产生协同作用,因而电化学性能优异,具有良好的充放电特性和循环稳定性。
[0017] 导电聚合物的比容量是碳材料的5-6倍,
能量密度和功率密度分别高达30-50Wh•kg-1和2-20kW•kg-1。碳材料和导电聚合物的复合结合了这两类材料的优点,并显现出协同效应,导电聚合物提供赝电容,而碳材料在复合物中充当骨架,对导电聚合物起到
支撑作用,以保持其在充放电循环过程中的稳定性。
[0018] 另一方面,本发明中,底层涂层的粘接剂含量小于顶层涂层的粘接剂的含量,由于底层涂层是直接与集流体接触的,其中的粘接剂含量在正常范围内,以确保底层涂层与集流体的牢固粘接,而顶层涂层是直接与底层涂层接触的,其只需要较小的粘接剂含量就可以实现与底层涂层的牢固粘接,这样就可以减少整个涂层中粘接剂的含量,提高涂层中活性物质的含量,进而提高超级电容器的比容量和电性能。
具体实施方式
[0019] 下面结合
实施例对本发明及其有益效果进行详细说明,但是本发明的具体实施方式并不限于此。
[0020] 实施例1本实施例提供了一种超级电容器,包括电极片、隔离膜、极柱和外壳,所述电极片包括集流体、设置于所述集流体表面的底层涂层和设置于所述底层涂层表面的顶层涂层,所述底层涂层和所述顶层涂层均包括活性物质、导电剂和粘接剂,并且所述底层涂层的粘接剂含量小于所述顶层涂层的粘接剂的含量;
所述底层涂层和所述顶层涂层的活性物质均包括碳材料和导电聚合物,所述碳材料和所述导电聚合物的质量比为90:10;
所述碳材料具有核壳结构,其核层包括石墨烯纤维和碳纳米管,其壳层为二氧化锰功能层,所述石墨烯纤维和碳纳米管的质量比为70:30;
所述导电聚合物为聚苯胺。
[0021] 石墨烯纤维的直径为500nm-3μm,所述石墨烯纤维的长度为5μm-2mm,所述石墨烯纤维的强度为100MPa-300MPa,所述石墨烯纤维的导电率为2000S/m-5000S/m。
[0022] 碳纳米管为单管壁的碳纳米管,并且所述碳纳米管的管径为2nm-8nm,所述碳纳米管的壁厚为0.6nm-2nm。
[0023] 导电聚合物的重均分子量为70000。
[0024] 二氧化锰功能层的厚度为80nm-1.5μm。
[0025] 导电剂为乙炔黑,粘接剂为聚偏氟乙烯。
[0026] 底层涂层的粘接剂的质量含量为7%,顶层涂层的粘接剂的含量为3%。
[0027] 碳材料的制备方法包括如下步骤:第一步,三电极体系的构建:
电解液:1mol/L的MnSO4水溶液;
工作电极:石墨烯纤维和碳纳米管的混合物;
对电极:直径为102mm的铂丝;
参比电极:Ag/AgCl,3mol/L的KCl;
第二步,阴极恒电流沉积:设置阴极电极电流为400μA/cm2,沉积时间为40min,将沉积产物反复冲洗干净,冻干,即得。
[0028] 实施例2本实施例提供了一种超级电容器,包括电极片、隔离膜、极柱和外壳,所述电极片包括集流体、设置于所述集流体表面的底层涂层和设置于所述底层涂层表面的顶层涂层,所述底层涂层和所述顶层涂层均包括活性物质、导电剂和粘接剂,并且所述底层涂层的粘接剂含量小于所述顶层涂层的粘接剂的含量;
所述底层涂层和所述顶层涂层的活性物质均包括碳材料和导电聚合物,所述碳材料和所述导电聚合物的质量比为80:20;
所述碳材料具有核壳结构,其核层包括石墨烯纤维和碳纳米管,其壳层为二氧化锰功能层,所述石墨烯纤维和碳纳米管的质量比为60:40;
所述导电聚合物为聚噻吩。
[0029] 所述石墨烯纤维的直径为500nm-3μm,所述石墨烯纤维的长度为5μm-2mm,所述石墨烯纤维的强度为100MPa-300MPa,所述石墨烯纤维的导电率为2000S/m-5000S/m。
[0030] 所述碳纳米管为单管壁的碳纳米管,并且所述碳纳米管的管径为2nm-8nm,所述碳纳米管的壁厚为0.6nm-2nm。
[0031] 所述导电聚合物的重均分子量为30000。
[0032] 所述二氧化锰功能层的厚度为80nm-1.5μm。
[0033] 导电剂为炭黑,粘接剂为聚四氟乙烯。
[0034] 底层涂层的粘接剂的质量含量为6%,所述顶层涂层的粘接剂的含量为2%。
[0035] 碳材料的制备方法包括如下步骤:第一步,三电极体系的构建:
电解液:0.7mol/L的MnSO4水溶液;
工作电极:石墨烯纤维和碳纳米管的混合物;
对电极:直径为1.5mm的铂丝;
参比电极:Ag/AgCl,2.5mol/L的KCl;
第二步,阴极恒电流沉积:设置阴极电极电流为300μA/cm2,沉积时间为30min,将沉积产物反复冲洗干净,冻干,即得。
[0036] 实施例3本实施例提供了一种超级电容器,包括电极片、隔离膜、极柱和外壳,所述电极片包括集流体、设置于所述集流体表面的底层涂层和设置于所述底层涂层表面的顶层涂层,所述底层涂层和所述顶层涂层均包括活性物质、导电剂和粘接剂,并且所述底层涂层的粘接剂含量小于所述顶层涂层的粘接剂的含量;
所述底层涂层和所述顶层涂层的活性物质均包括碳材料和导电聚合物,所述碳材料和所述导电聚合物的质量比为75:25;
所述碳材料具有核壳结构,其核层包括石墨烯纤维和碳纳米管,其壳层为二氧化锰功能层,所述石墨烯纤维和碳纳米管的质量比为75:25;
所述导电聚合物为聚吡咯。
[0037] 所述石墨烯纤维的直径为500nm-3μm,所述石墨烯纤维的长度为5μm-2mm,所述石墨烯纤维的强度为100MPa-300MPa,所述石墨烯纤维的导电率为2000S/m-5000S/m。
[0038] 所述碳纳米管为单管壁的碳纳米管,并且所述碳纳米管的管径为2nm-8nm,所述碳纳米管的壁厚为0.6nm-2nm。
[0039] 所述导电聚合物的重均分子量为50000。
[0040] 二氧化锰功能层的厚度为80nm-1.5μm。
[0041] 导电剂为乙炔黑,粘接剂为聚四氟乙烯。
[0042] 底层涂层的粘接剂的质量含量为5.5%,所述顶层涂层的粘接剂的含量为2.5%。
[0043] 所述碳材料的制备方法包括如下步骤:第一步,三电极体系的构建:
电解液:1.5mol/L的MnSO4水溶液;
工作电极:石墨烯纤维和碳纳米管的混合物;
对电极:直径为0.7mm的铂丝;
参比电极:Ag/AgCl,3.5mol/L的KCl;
第二步,阴极恒电流沉积:设置阴极电极电流为500μA/cm2,沉积时间为20min,将沉积产物反复冲洗干净,冻干,即得。
[0044] 实践表明:实施例1至3的超级电容器的循环次数均在20万次以上。
[0045] 根据上述
说明书的揭示和教导,本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和
修改。因此,本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式,对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的
权利要求的保护范围内。此外,尽管本说明书中使用了一些特定的术语,但这些术语只是为了方便说明,并不对本发明构成任何限制。