纳米共聚苯胺与活性炭构建的三非对称固态电化学电容器制造技术

本发明专利技术涉及一种纳米共聚苯胺与活性炭构建的三非对称固态电化学电容器，正电极的活性材料是磺化共聚苯胺，负电极的活性材料是活性炭。正电极浸润在正极电解质凝胶中形成正极电解质凝胶层，正极电解质凝胶为溶有正极电解质的正极基体，正极电解质为无机酸，正极基体选自聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮；负电极浸润在负极电解质凝胶中形成负极电解质凝胶层，负极电解质凝胶为溶有负极电解质的负极基体，负极电解质为中性盐，负极基体选自羧甲基纤维素、聚丙烯酸钾或聚环氧乙烷。与现有技术相比，本发明专利技术电容器大大抑制的电化学迁移有效地保证了电容器的循环稳定性，最大程度发挥赝电容材料和双电层电容材料的性能优势。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电化学电容器，尤其是涉及一种纳米共聚苯胺与活性炭构建的三非对称固态电化学电容器。
技术介绍
目前随着科技的发展，智能穿戴设备、超薄移动电话和其他智能技术逐渐成为可能，对储能材料提出新的要求。拥有较高比容量、功率密度和循环寿命的超级电容器是一种新型绿色清洁储能材料，具有很大的应用前景。聚苯胺类材料由于拥有优异的导电性、易制备性及环境稳定性成为超级电容器最常用的电极材料之一。(ChellachamyAnbalagan,A.；Sawant,S.N.BrineSolution-DrivenSynthesisofPorousPolyanilineforSupercapacitorElectrodeApplication.Polymer,2016.87,129-137.)。而自掺杂共聚苯胺通过改性或者单体共聚的方式在苯胺长链引入羧基、磺酸基等带负电功能团使得分子链结构疏松，更加有利于离子和电子信号的传导。同时，与外掺杂聚苯胺相比，自掺杂共聚苯胺不仅在没有大量外部离子补充条件下可以获得较高导电率，有效抑制外掺杂离子进出引起的材料体积膨胀，还可以进一步拓宽电极材料的活性电位范围，使其拥有优异的循环稳定性和比电容量。比如由等摩尔比苯胺与间氨基苯甲酸的电化学共聚物羧基自掺杂共聚苯胺构建的对称超级电容器，在5mA/cm-2电流密度下的比电容高达102F/g(Ghenaatian,H.R.；Mousavi,M.F.；Rahmanifar,M.S.Highperformancehybridsupercapacitorbasedontwonanostructuredconductingpolymers:self-dopedpolyanilineandpolypyrrolenanofibers.Electrochim.Acta,2012.78(9):212-222.)。相比于羧基，磺酸基有更大的空间位阻，更有助于获得纳米尺寸的聚合物颗粒和较高的比表面积，从而获得优异电化学性能。比如，最近研究的自掺杂磺化共聚苯胺在三电极体系中单电极的比容量高达1086F/g(黄美荣,李新贵,岳成.一种磺化共聚苯胺的应用:中国,CN201510289835.8[P].2015-11-4.)。然而，上述自掺杂共聚苯胺作为正极材料在构建成二电极体系电容器时，仍然以导电聚合物为负极，其结果是无论以对称性构型还是非对称性构型均不能获得较长的循环寿命。可见具有高比电容的自掺杂共聚苯胺还没有寻找到合适的负极材料而无法发挥出其自身固有的高比电容的储能优势。我们知道，活性炭材料基于双电层机理实现能量的储存和释放。由于没有电子的得失，活性炭电极具有优异的循环稳定性，在中性电解质中循环15000次以上比电容依然没有明显劣化(Fic,K.；Lota,G.；Meller,M.；Frackowiak,E.NovelInsightintoNeutralMediumasElectrolyteforHigh-VoltageSupercapacitors.EnergyEnviron.Sci.,2012.5(2),5842-5850.)。与其它碳材料相比，活性炭制备工艺简单，成本低廉，原料丰富。作为超级电容器的负极材料，有望改善导电聚合物电容器循环稳定性差的现象。然而，包括自掺杂共聚苯胺在内的聚苯胺电极和活性炭电极匹配的障碍是二者所要求的电解质互为冲突。前者要求酸性电解质，这样电极材料能够获得高电导率并在充放电过程中有利于H+的快速外掺杂和去掺杂(Bavio,M.A.；Acosta,G.G.；Kessler,T.PolyanilineandPolyaniline-CarbonBlackNanostructuresasElectrochemicalCapacitorElectrodeMaterials.Int.J.HydrogenEnergy,2014.39(16)：8582-8589.)；而在中性或者碱性电解液中，会发生去质子化而脱掺杂，失去电化学活性。相反，碳材料充放电过程中若处于酸性条件会破坏其双电层结构，而在中性或碱性条件更能发挥其性能(Guo,C.X.；Yilmaz,G.；Chen,S.；Chen,S.；Lu,X.HierarchicalNanocompositeComposedofLayeredV2O5/Pedot/MnO2NanosheetsforHigh-PerformanceAsymmetricSupercapacitors.NanoEnergy,2015.12,76-87.)。如何协调匹配这两种储能材料所使用的电解质之间的矛盾就成为构建高性能自掺杂聚苯胺电容器的关键所在。然而，这一问题到目前为止还未见研究报道。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种纳米共聚苯胺与活性炭构建的三非对称固态电化学电容器，并提供其构建方法，该三非对称固态电化学电容器以磺化共聚苯胺为正极活性材料，以活性炭为负电极活性材料。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种纳米共聚苯胺与活性炭构建的三非对称固态电化学电容器，包括正电极与负电极，所述的正电极的活性材料是磺化共聚苯胺，所述的负电极的活性材料是活性炭。进一步地，将磺化共聚苯胺加入少量导电剂碳材料、粘合剂N-乙基苯胺/苯胺共聚物以不锈钢网为集流体制备成正电极；所述的磺化共聚苯胺为一种苯胺和邻氨基酚磺酸经化学氧化共聚或电化学聚合所得到的共聚物。进一步地，将活性炭加入少量导电剂炭黑、粘结剂羧甲基纤维素(CMC)和丁苯橡胶(SBR)以不锈钢网为集流体制备成负电极。其中正电极与负电极的制备方法均采用沾涂法。所得正电极与负电极在三电极体系下进行CC充放电，根据公式(1)和(2)计算两电极的放电量，由此来衡量正负电极的匹配性：q+＝I+×Δt+………...………….(1)q-＝I-×Δt-………...………….(2)q+、q-分别为正负极电极的电量，单位为库伦(C)；I+和I-分别为正负电极的电流，单位为安培(A)；Δt+和Δt-分别正负电极的放电时间，单位为秒(s)。选择好合适载入量的相互匹配的正电极和负电极组成不对称电极后，给正负电极配以溶有各自电解质盐的聚合物凝胶电解质，即可实现三非对称电容器的组装。进一步地，所述的正电极表面包裹有正极电解质凝胶层，所述的负电极表面包裹有负极电解质凝胶层。更进一步地，所述的正电极浸润在正极电解质凝胶中形成正极电解质凝胶层，所述的正极电解质凝胶为溶有正极电解质的正极基体；所述的正极电解质为无机酸，可选自H2SO4、HCl、HNO3等，所述的正极基体选自聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等聚合物。最优选的正极电解质凝胶为H2SO4-PVA凝胶。更进一步地，所述的负电极浸润在负极电解质凝胶中形成负极电解质凝胶层，所述的负极电解质凝胶为溶有负极电解质的负极基体，所述的负极电解质为中性盐，可选自Na2SO4、K2SO4、NaCl或LiCl等，所述的负极基体选自羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯酸钾(PAAK)或聚环氧乙烷(PEO)等聚合物。最优选的负极电解质凝胶为Na2SO4-CMC凝胶。具体操作时将正负电极分别在各自的电解质凝胶中浸15min后取本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米共聚苯胺与活性炭构建的三非对称固态电化学电容器，其特征在于，包括正电极与负电极，所述的正电极的活性材料是磺化共聚苯胺，所述的负电极的活性材料是活性炭。

【技术特征摘要】
1.一种纳米共聚苯胺与活性炭构建的三非对称固态电化学电容器，其特征在于，包括正电极与负电极，所述的正电极的活性材料是磺化共聚苯胺，所述的负电极的活性材料是活性炭。2.根据权利要求1所述的一种纳米共聚苯胺与活性炭构建的三非对称固态电化学电容器，其特征在于，所述的正电极表面包裹有正极电解质凝胶层，所述的负电极表面包裹有负极电解质凝胶层。3.根据权利要求2所述的一种纳米共聚苯胺与活性炭构建的三非对称固态电化学电容器，其特征在于，所述的正电极浸润在正极电解质凝胶中形成正极电解质凝胶层，所述的正极电解质凝胶为溶有正极电解质的正极基体；所述的正极电解质为无机酸，选自H2SO4、HCl或HNO3；所述的正极基体选自聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮。4.根据权利要求3所述的一种纳米共聚苯胺与活性炭构建的三非对称固态电化学电容器，其特征在于，所述的正极电解质凝胶为H2SO4-PVA凝胶。5.根据权利要求1所述的一种纳米共聚苯胺与活性炭构建的三非对称固态电化学电容器，其特征在于，所述的负电极浸润在负极电解质凝胶中形成负极电解质凝胶层，所述的负极电解质凝胶为溶有负极电解质的负极基体；所述的负极电解质为中性盐，选自Na2SO4、K2...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄美荣，张露薇，李新贵，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31