两极室含铁氰化钾和对苯二胺的氢氧化钴对称式超级电容器的制备方法技术

本发明专利技术涉及两极室含铁氰化钾和对苯二胺的氢氧化钴对称式超级电容器的制备方法。本发明专利技术正极及负极均采用以碳材料为基底的氢氧化钴电极，正极电解液为在碱性水溶液中添加氧化性物质铁氰化钾，负极电解液为在碱性水溶液中添加还原性物质对苯二胺。采用离子交换膜将正、负极室隔开，使得两极室内可以独立地进行氧化还原反应，从而得到的电容为固体电极赝电容和电解液赝电容的叠加。因此，本发明专利技术所阐述的超级电容器具有较高的能量密度。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于化学电源
，超级电容器作为一种电源装置。该超级电容器涉及一种两极室分别含铁氰化钾和对苯二胺的氢氧化钴对称式超级电容器及其制备方法。
技术介绍
：能源问题一直困扰着当今人类，许多用于直接或间接解决能源问题的科学技术应运而生。超级电容器属于绿色环保电源。它具有功率密度高、使用寿命长、温度特性好等优点。超级电容器不仅可用于电动汽车、轨道客车、电子器件中，还可以作为风能、太阳能等可再生能源的储能转换装置。超级电容器根据其正负极材料可分为对称超级电容器与非对称超级电容器。相对于非对称超级电容器，对称超级电容器的制作简单，成本低。而相对于有机体系的超级电容器，水系超级电容器更加绿色环保、安全。但水系超级电容器由于电解液对电位窗口的限制，使得能量密度的提高只能依靠于提高比电容。现已有大量关于能产生赝电容的金属氧化物、金属氢氧化物或导电聚合物作为电极活性物质的研究，但是以纯氢氧化钴为双电极的超级电容器很少有人研究。本专利所专利技术的超级电容器属于水系超级电容器且以纯氢氧化钴为正、负电极。本课题组曾发表过以纯氢氧化钴为正极、活性炭为负极的非对称超级电容器的专利和文章。由于氢氧化钴具有很好的氧化还原活性和可逆性，非常适合作为超级电容器的电极材料，且采用碳材料作为氢氧化钴电极的基底，使氢氧化钴电极的稳定性大大提高。本课题组也发表过正极氢氧化钴、负极活性炭超级电容器中两极室分别加入氧化还原物质的专利和文章，其中包括正极室加入铁氰化钾和负极室加入亚铁氰化钾及正极室加入铁氰化钾和负极室加入对苯二胺的情况。上述超级电容器都不同程度地提高了比电容和能量密度，但都或多或少地存在各种各样的缺点，由于对超级电容器的要求不断提高，性能改进和类型增多也迫切需要。本专利所专利技术的超级电容器是在碱性水溶液中，以碳材料作为基底的氢氧化钴电极既作为正极，又作为负极，充分发挥该电极活性高、可逆性好、循环稳定性强的优点。并且正极室加入铁氰化钾后，由于铁氰化钾良好的电化学活性和氧化还原可逆性可与氢氧化钴良好的相容。氢氧化钴作为负极也有其优越性：制作简化，超级电容器电极的生产线由两条变为一条。负极室加入有机物对苯二胺，它的优点是氧化还原电位较负，正极室加入铁氰化钾的氧化还原电位与负极室加入对苯二胺的氧化还原电位有较大的差距，对放电过程获得高能量密度十分有利。研究还发现，由于电极与电解液对超级电容器电容产生不同的贡献，提高电解液中氧化还原物质的浓度能大幅度提高超级电容器的比电容和能量密度。这种电极对称式的超级电容器与以前所研究的氢氧化钴与活性炭非对称的超级电容器相比，在能量密度方面有所提高。
技术实现思路
：本专利技术所要解决的技术问题是提供一种两极室含铁氰化钾和对苯二胺的氢氧化钴对称式超级电容器及其制备方法，目的是最大限度地提高超级电容器的能量密度。本专利技术提供的技术方案如下：一种两极室含铁氰化钾和对苯二胺的氢氧化钴对称式超级电容器的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将碳材料经过有机溶剂超声处理，除去有机杂质；再经过酸化处理，除去无机杂质并提高碳材料比表面积，采用恒电位或恒电流电化学沉积，在经过处理的碳材料上生长氢氧化钴薄膜，得到氢氧化钴电极，将其作为超级电容器正极及负极使用；步骤2：将离子交换膜经过双氧水和无机酸处理，除去表面有机物、无机杂质，用去离子水清洗多次后放入所使用的碱性溶液中浸泡待用；步骤3：根据所制作电极的面积相应地可制作不同形状和体积的超级电容器，将超级电容器壳体和附件进行清洗，其清洗过程同步骤1所述清洗碳材料的步骤；步骤4：配置超级电容器用基础电解液，基础电解液为碱性水溶液；步骤5：将清洗好的超级电容器壳体及附件与离子交换膜组成超级电容器，所述离子交换膜位于正、负极室之间，将电容器的正极室和负极室隔开，采用端板、隔板、离子交换膜、胶垫和螺栓对电容器进行组装与密封；步骤6：将电解液沿着预留孔道分别注入正极室、负极室；且在正极室中添加氧化性物质铁氰化钾，铁氰化钾溶液浓度为0.01～0.52mol/L；负极室中添加还原性物质对苯二胺，负极室的对苯二胺溶液浓度为0.01～0.26mol/L。步骤7：将组装的超级电容器单体进行串联或并联构成超级电容器复合电路，从而达到所要求的工作电流和电压。在所述步骤1中，碳材料基底包括碳纤维布、碳纤维毡、碳纤维纸，对上述碳材料表面进行清洗，得到清洁的碳材料基底；具体步骤为：在有机溶剂中浸泡5～60分钟，然后超声5～60分钟，所述有机溶剂包括丙酮或乙醇等常用有机溶剂；在无机酸中浸泡5～60分钟，然后超声5～60分钟，所述无机酸主要为盐酸或硫酸等常用试剂；最后，用去离子水清洗多次，然后超声5～60分钟，除去无机酸。在所述步骤1中，采用恒电位或恒电流技术，得到碳材料/氢氧化钴电极，作为超级电容器正极及负极使用；在电化学沉积过程中，沉积时间为1min～2h，电解液硝酸钴的水溶液浓度为0.1～2mol/L，沉积温度为25～60℃，沉积电位选择-0.6V～-1.3V，电极表面沉积电流大小为0.01～2A/cm2，电极表面活性物质氢氧化钴质量为0.5～15mg/cm2。在所述步骤2中，对离子交换膜进行处理，具体步骤为，双氧水体积分数为2～10％，处理温度为60～80℃，处理时间为0.5～3个小时，除去有机物杂质；无机酸包括稀盐酸或稀硫酸，处理温度为60～80℃，处理时间为1～4个小时，除去无机物杂质。在所述步骤3中，可根据所制作电极的形状及面积采用不同形状和尺寸的超级电容器；所制作电极的形状可为圆形及各种多边形，例如正方形或长方形，其电极面积可为1cm2～1m2。在所述步骤4中，基础电解液为碱性水溶液，可含氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或它们按一定比例混合的碱性溶质，浓度为0.5～6mol/L；所述步骤2所述的离子交换膜使用阳离子交换膜，不允许铁氰化钾阴离子和对苯二胺的氧化还原物进入对电极室。在所述步骤5中，单体电解液体积根据外壳尺寸和电极尺寸的改变而改变，单体超级电容器电解液体积为5～2000mL。本专利技术的有益效果：1、本专利技术中以碳材料为基底、采用电沉积方法制备纯氢氧化钴薄膜电极，此方法操作简单、易实现大规模生产，且由此方法制备的氢氧化钴电极与碱性溶液相容性好，具有高比电容和优异的循环稳定性，为高能量超级电容器提供了关键性元件。2、本专利技术中采用纯氢氧化钴电极作为正极及负极使用，使得制作简化。氢氧化钴电极对称式超级电容器有较宽的电化学工作窗口，有利于获得高能量密度。3、本专利技术中同时在正极室添加氧化性物质和负极室添加还原性物质，使得正负电极产生赝电容的同时，正负极室电解液也可以独立地提供赝电容，正极产生的电容与正极室电解质产生的电容相加，负极产生的电容与负极室电解质产生的电容相加，两者相加和匹配的结果，使得该电容器的比电容和能量密度远大于未加氧化还原物质的电容器。4、本专利技术中使用离子交换膜作为超级电容器的隔膜，与普通电容器隔膜的作用不同，不是简单地将正负极隔开，而是将正负极室内两种不同的氧化还原物质及其氧化还原产物隔开，隔膜导电由钾离子承担，不致因氧化还原物质混合而发生自放电和能量损耗。5、本专利技术中正极室采用的铁氰化钾摩尔浓度和负极室采用的对苯二胺摩尔浓度是2比1的关系，因为前者为单电子反应，后者是双电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两极室含铁氰化钾和对苯二胺的氢氧化钴对称式超级电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将碳材料经过有机溶剂超声处理，除去有机杂质；再经过酸化处理，除去无机杂质并提高碳材料比表面积，采用恒电位或恒电流电化学沉积，在经过处理的碳材料上生长氢氧化钴薄膜，得到氢氧化钴电极，将其作为超级电容器正极及负极使用；步骤2：将离子交换膜经过双氧水和无机酸处理，除去表面有机物、无机杂质，用去离子水清洗多次后放入所使用的碱性溶液中浸泡待用；步骤3：根据所制作电极的面积和体积相应地可制作不同形状和体积的超级电容器，将超级电容器壳体和附件进行清洗，其清洗过程同步骤1所述清洗碳材料的步骤；步骤4：配置超级电容器用电解液，基础电解液为碱性水溶液；步骤5：将清洗好的超级电容器壳体及附件与离子交换膜组成超级电容器，所述离子交换膜位于正、负极室之间，将电容器的正极室和负极室隔开，采用端板、隔板、离子交换膜、胶垫和螺栓对电容器进行组装与密封；步骤6：将基础电解液沿着预留孔道分别注入正极室、负极室；且在正极室中添加氧化性物质铁氰化钾，铁氰化钾溶液浓度为0.01～0.52mol/L；负极室中添加还原性物质对苯二胺，负极室的对苯二胺溶液浓度为0.01～0.26mol/L。步骤7：将组装的超级电容器单体进行串联或并联构成超级电容器复合电路，从而达到所要求的工作电流和电压。...

【技术特征摘要】
1.一种两极室含铁氰化钾和对苯二胺的氢氧化钴对称式超级电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将碳材料经过有机溶剂超声处理，除去有机杂质；再经过酸化处理，除去无机杂质并提高碳材料比表面积，采用恒电位或恒电流电化学沉积，在经过处理的碳材料上生长氢氧化钴薄膜，得到氢氧化钴电极，将其作为超级电容器正极及负极使用；步骤2：将离子交换膜经过双氧水和无机酸处理，除去表面有机物、无机杂质，用去离子水清洗多次后放入所使用的碱性溶液中浸泡待用；步骤3：根据所制作电极的面积和体积相应地可制作不同形状和体积的超级电容器，将超级电容器壳体和附件进行清洗，其清洗过程同步骤1所述清洗碳材料的步骤；步骤4：配置超级电容器用电解液，基础电解液为碱性水溶液；步骤5：将清洗好的超级电容器壳体及附件与离子交换膜组成超级电容器，所述离子交换膜位于正、负极室之间，将电容器的正极室和负极室隔开，采用端板、隔板、离子交换膜、胶垫和螺栓对电容器进行组装与密封；步骤6：将基础电解液沿着预留孔道分别注入正极室、负极室；且在正极室中添加氧化性物质铁氰化钾，铁氰化钾溶液浓度为0.01～0.52mol/L；负极室中添加还原性物质对苯二胺，负极室的对苯二胺溶液浓度为0.01～0.26mol/L。步骤7：将组装的超级电容器单体进行串联或并联构成超级电容器复合电路，从而达到所要求的工作电流和电压。2.如权利要求1所述的一种两极室含铁氰化钾和对苯二胺的氢氧化钴对称式超级电容器的制备方法，其特征在于：在步骤1中，碳材料基底包括碳纤维布、碳纤维毡、碳纤维纸，对上述碳材料表面进行清洗，得到清洁的碳材料基底；具体步骤为：在有机溶剂中浸泡5～60分钟，然后超声5～60分钟，所述有机溶剂包括丙酮或乙醇等常用有机溶剂；在无机酸中浸泡5～60分钟，然后超声5～60分钟，所述无机酸主要为盐酸或硫酸等常用试剂；最后，用去离子水清洗多次，然后超声5～60分钟，除去无机酸。3.如权利要求1所述的一种两极室含铁氰化...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑伟涛，崔迪，邓霆，王家富，张恒彬，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22