本发明专利技术涉及一种炭‑聚苯胺超级电容器及其制备方法,其解决了现有产品和方法中的存在的使用不够安全、成本较高、比容量小、能量密度低、不能大电流充放电且循环寿命短的技术问题,其以中孔活性炭作为超级电容器的负极活性物质,以聚苯胺碳材料作为超级电容器的正极活性物质,以醋酸‑醋酸钠缓冲溶液、含金属盐的醋酸水溶液或含锂盐的有机溶剂作为电解液,所述中孔活性炭孔径r的范围为2nm
Carbon polyaniline super capacitor and preparation method thereof
The invention relates to a carbon polyaniline super capacitor and preparation method thereof, which solves the technical problems existing in products and processes are not enough safety, high cost, small capacity, low energy density and high current charge discharge and short cycle life, the mesoporous activated carbon as the negative electrode the material of the super capacitor, the polyaniline carbon material as cathode active material of the super capacitor, with organic solvent acetic acid aqueous solution acetic acid sodium acetate buffer solution, containing metal salt or containing lithium salt as electrolyte, the scope of the mesoporous activated carbon pore R 2nm< r< 50nm. The invention can be widely used in the preparation of super capacitor.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电容器领域,具体地说是一种炭-聚苯胺超级电容器及其制备方法。
技术介绍
超级电容器,也称电化学电容器,是介于传统电容器和化学电源之间的一种新型储能装置。影响超级电容器的主要性能指标是组成超级电容器的电极材料。当前使用的电极材料主要可分为三类,即碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。应用导电聚合物作为超级电容器的电极材料是近年来发展起来的。这类聚合物主链上具有共轭体系,可以通过掺杂而导电。因其具有成本低、掺杂态电导率高、环境污染小、存储容量和孔隙率高、电压窗口宽、可逆性好及电化学活性可调等诸多优点,可用于制备高性能的超级电容器电极材料。聚合物具有良好的电子电导率,其值为1-100S/cm。导电聚合物借助于电化学氧化和还原反应在电子共轭聚合物链上引入正负电荷中心,正、负电荷中心的充放电程度取决于电极电势。导电聚合物也是通过法拉第过程存储能量,目前仅有少数导电聚合物可以在较高的还原电位下稳定地进行电化学掺杂,如聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩等。其中,聚苯胺因其导电性好,容易合成,环境中稳定性好,首先被用于商业化的导电聚合物材料。1987年,MacDiarmid等(SyntheticMetals,1987,18(1-3):285-290)提出了被广泛接受的聚苯胺苯式和醌式结构单元的共存模型,其中本征态聚苯胺的分子结构式可以表示为:其中,y表示了聚苯胺的氧化还原程度,其值在0-1之间。y=1时,称为全还原态聚苯胺;y=0时,称为全氧化态聚苯胺;y=0.5时,为苯醌比是3∶1的半氧化半还原态结构,即本征态聚苯胺。完全还原态和完全氧化态都是绝缘体,中间氧化态(y=0.5)也是绝缘体,但经过质子酸掺杂后可以变成导体。与中间氧化态不同,完全还原态和完全氧化态不能经质子酸掺杂变成导体,也就是说,除了完全还原态和完全氧化态之外,其它氧化还原态的聚苯胺经掺杂后均具有导电性,而且,本征态聚苯胺经掺杂后,导电性最好。聚苯胺具有良好的氧化还原可逆性,在不同的氧化还原态之间发生转化时,所发生的是电化学可逆离子的脱掺杂过程,此过程中伴随着能量的储存与释放。近年来,不少学者利用聚苯胺良好的掺杂去掺杂电荷能力,通过整个三维体相内发生快速可逆的法拉第赝电容反应而储存能量,因而获得了远高于仅靠电极电解液界面双电层而储能的碳材料的容量,其比电容能达到200-350F/g。此外由于聚苯胺具有化学稳定性好、导电率高、成本低廉、合成简便等优点,已经成为一种极具发展潜力的超级电容器电极材料。根据不同的能量存储机制,超级电容器可以分为三类:1)电化学双层电容器(双电层电容器),也称非法拉第超级电容器,机理是使用吸附的阴离子和阳离子储存能量;2)赝电容器,也称法拉第超级电容器,机理是通过快速的表面氧化还原反应存储能量;3)不对称超级电容器,是指所有正负极不同的电化学电容器。碳材料由于其只利用双电层储存能量,作为双电层电容器正负极材料使用时,其比电容相对较低,导致电化学电容器的容量较低。所以在目前研究中,碳材料一般只作为负极材料使用,而正极材料使用金属氧化物或导电聚合物,组装成赝电容器,即不对称超级电容器。虽然石墨烯和RuO2材料作为超级电容器的电极材料有着非常独特的优势,尤其比电容,但其高昂的价格只能适合于特殊场所的应用。因此,研发一种成本低廉、容量较大、能量密度较高、循环寿命很长的可被普遍使用的超级电容器具有非常重要的意义。2011年,徐磊等(科技导报,2011,29(6):68-71)在LiCLO4/乙腈有机体系下利用循环伏安法在活性炭上聚合聚苯胺,并且研究其电化学性能,表明聚苯胺/活性炭电极在LiCLO4/乙腈有机体系下具有优良的电容行为,比电容可达到276F/g,并且具有良好的循环寿命。2005年,杨红生等(物理化学学报,2005,04:414-418)以2mol/L的H2SO4水溶液作电解液,组装成了聚苯胺电极超级电容器,在7mA的充放电电流下,它的比能量可达6.35Wh/kg,比功率可达132W/kg,电极材料的比容量可达408F/g。2013年,孙帆(电解液对超级电容器电化学性能影响的研究[D].中国海洋大学,2013)用聚苯胺-活性炭复合电极作正极,活性炭电极为负极,在1mol/LLiCLO4/乙腈电解液中进行充放电实验,电位窗口为0-2.7V,电流密度为3mA/cm2,测得比电容为118F/g,能量密度为100Wh/kg,功率密度为927.4W/kg,经1000次循环后,比容量为95.1F/g,能量密度为67.7Wh/kg,功率密度为860.3W/kg。2012年,吴洪鹏(石墨烯的制备及在超级电容器中的应用[D].北京交通大学,2012)以海绵状的特殊结构石墨烯作为电极材料制备了6mol/LKOH水系超级电容器,在不掺杂其它活性物的条件下,石墨稀超级电容器的比容高达200F/g,能量密度高达20Wh/kg,是普通炭材料电容器的2-4倍。2008年,M.D.Stoller等(NanoLetters,2008,8:3498-3502)报道了以石墨稀作为电极的超级电容器,并分别测试了其在水系和有机电解液中的比电容,分别可以达到135F/g和99F/g,略高于碳纳米管为电极的超级电容器。2009年,Y.Wang等(Phys.Chem.C,2009,113:13103-13107)报道了以肼蒸汽处理后的氧化石墨烯作为电极材料在水系电解液中比容量达到205F/g,能量密度达28.5Wh/kg。2010年,S.Biswas等(ACSAppliedMaterialsandInterfaces,2010,2:2293-2300)在ACSappliedMaterials上报道了以纳米级、尺寸可调的石墨烯片层形成多层薄膜电极然后组装成电容器,在水系电解液中大电流放电条件下比容量最高可80F/g。2003年,P.Laforgue等(JournaloftheElectrochemicalSociety,2003,150(5):A645-A651)用活性炭作为负极材料,p型掺杂聚苯胺作为正极材料,6mol/LKOH溶液作为电解液,制成非对称超级电容器,其比电容可以达到380F/g,循环寿命可达4000次,在1.0-1.6V之间,能量密度达到18Wh/kg,功率密度达到1250W/kg。2002年,JongHyeokPark等(JournalofPowerSources,2002,111:185-190)以聚苯胺/活性炭为电极材料,6mol/LKOH为电解质制成超级电容器,其比电容可达到380F/g。2010年,Ma等(Carbon,2010,49(2):573-580)采用弱还原剂氢溴酸来还原石墨烯,可以保留一些含氧基团,得到的石墨烯超级电容器在1mol/LH2SO4溶液中,电流密度0.2A/g时最大特性电容可达348F/g。但是,上述超级电容器存在使用不够安全、成本较高、比容量小、能量密度低、不能大电流充放电且循环寿命短。
技术实现思路
本专利技术就是为了解决现有方法中的存在的使用不够安全、成本较高、比容量小、能量密度低、不能大电流充放电且循环寿命短问题,提供一种此超级电本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种炭‑聚苯胺超级电容器,其特征是以中孔活性炭作为超级电容器的负极活性物质,以聚苯胺碳材料作为超级电容器的正极活性物质,以醋酸‑醋酸钠缓冲溶液、含金属盐的醋酸水溶液或含锂盐的有机溶剂作为电解液,所述中孔活性炭孔径r的范围为2nm<r<50nm。
【技术特征摘要】
1.一种炭-聚苯胺超级电容器,其特征是以中孔活性炭作为超级电容器的负极活性物质,以聚苯胺碳材料作为超级电容器的正极活性物质,以醋酸-醋酸钠缓冲溶液、含金属盐的醋酸水溶液或含锂盐的有机溶剂作为电解液,所述中孔活性炭孔径r的范围为2nm<r<50nm。2.根据权利要求1所述的炭-聚苯胺超级电容器,其特征在于所述含金属盐的醋酸水溶液,其金属盐为硫酸锂、高氯酸锂、氯化锂、硫酸钠、高氯酸钠或氯化钠;所述有机溶剂为乙腈和碳酸乙烯酯的混合物,或乙酸乙酯和碳酸乙烯酯的混合物。3.根据权利要求2所述的炭-聚苯胺超级电容器,其特征在于所述电解液为氯化锂的醋酸水溶液,所述醋酸的浓度范围为1.0~5.0molL-1,所述氯化锂的浓度为2.2molL-1。4.根据权利要求3所述的炭-聚苯胺超级电容器,其特征在于所述氯化锂的浓度为1.3molL-1。5.根据权利要求2所述的炭-聚苯胺超级电容器,其特征在于所述有机溶剂为乙腈和碳酸乙烯酯,两者的体积比为1:1。6.根据权利要求1所述的炭-聚苯胺超级电容器,其特征在于所述聚苯胺碳材料中,聚苯胺与碳材料的质...
【专利技术属性】
技术研发人员:韩家军,
申请(专利权)人:哈尔滨工业大学威海,
类型:发明
国别省市:山东;37
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