一种高性能超级电容器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能超级电容器，该电容器由电极片→电解液→隔膜→电解液→电极片依次组装而成，所述电极片为PEDOT/Co3O4纳米复合物，所述电解液为NaClO4的水溶液。本发明专利技术还公开了制备所述电容器的方法，包括PEDOT/Co3O4纳米复合物制备，电解液配置和组装步骤，其中，PEDOT/Co3O4纳米复合物制备时首先经水热反应在金属基底上生长一层碱式碳酸钴；然后煅烧所得碱式碳酸钴得到Co3O4；最后经电化学沉积在Co3O4表面生长PEDOT。本发明专利技术将有机聚合物和过渡金属氧化物结合成纳米复合物，所制得的超级电容器比容量高、循环稳定性好、能量密度和功率密度大。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能超级电容器及其制备方法
本专利技术属于电容器领域，涉及一种新型超级电容器及其制备方法，特别涉及一种基于有机聚合物与金属氧化物纳米复合材料的新型电容器及其制备方法。
技术介绍
现今，随着化石燃料的快速枯竭以及环境污染的不断加重，为提高现有能源的利用率，有必要开发和发展新的能源转化及存储技术。在能源转换和存储领域，超级电容器技术日趋成熟，因其具有高的功率密度，优越的循环寿命(>10000个循环)，和介于传统电容器(具备高的功率输出)与电池/燃料电池(具备高的能量密度)之间的功率/能量密度，对能源系统之间的衔接和绿色能源的开发利用具有重大意义。超级电容器的电极材料主要包括金属氧化物、导电高聚物、碳材料三大类，其中金属氧化物和导电高聚物运用较广。金属氧化物主要是利用金属离子的可变价态的化学反应提供赝电容，四氧化三钴(Co3O4)是其中的典型，其理论容量高达3560F/g；但是，目前实验获得Co3O4的比容量低于1200F/g，远不及理论值。导电高聚物是另一种常见赝电容材料，它可以提供多对电化学反应，具有较大的比容量且价格相对低廉，但高聚物结构和化学性能稳定性较差，阻碍了其推广应用。因此，开发一种能够综合四氧化三钴和导电高聚物优点的新型电极材料和基于该电极材料的电容器具有重要意义。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于有机聚合物与金属氧化物纳米复合材料的新型高性能超级电容器。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种高性能超级电容器，该电容器由电极片I→电解液I→隔膜→电解液II→电极片II依次组装而成，所述电极片I、II为PEDOT/Co3O4纳米复合物。作为本专利技术高性能超级电容器的优选，所述电解液I、II为NaClO4的水溶液，其摩尔浓度为0.45m～0.55mol/L。作为本专利技术高性能超级电容器的进一步优选，所述电极片I、II尺寸为5.8mm～6.2mm×1.8mm～2.2mm，所述电解液I、II的体积为13-16μL。本专利技术还提供一种制备前述高性能超级电容器的方法：本专利技术制备所述高性能超级电容器的方法，包括PEDOT/Co3O4纳米复合物制备，电解液配置和组装步骤，其中：PEDOT/Co3O4纳米复合物制备时包括如下步骤：I：水热反应在金属基底上生长碱式碳酸钴；II：煅烧步骤I所得碱式碳酸钴得到Co3O4；III：在步骤II中的Co3O4表面电化学沉积生长PEDOT。作为本专利技术制备所述高性能超级电容器方法的优选，步骤I生长碱式碳酸钴时包括以下步骤：i：配制硝酸钴和尿素混合水溶液；ii：将金属基底置于步骤i的溶液中，加热溶液温度至85-95℃，保温反应12-15h；iii：清洗干燥得到生长在金属基底上的碱式碳酸钴。作为本专利技术制备所述高性能超级电容器方法的优选，步骤i所配置的硝酸钴和尿素混合水溶液中硝酸钴的摩尔浓度为0.10-0.20mol/L，尿素的摩尔浓度为0.45-0.55mol/L；硝酸钴和尿素的摩尔比为1:4.5～1:5.5。作为本专利技术制备所述高性能超级电容器方法的优选，步骤II煅烧时煅烧温度为240～260℃，煅烧时间为3.5-4.5h。作为本专利技术制备所述高性能超级电容器方法的优选，步骤III电化学沉积时以步骤II制得的载有Co3O4的金属片作为工作电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，Pt片为对电极，EDOT和LiClO4的乙腈溶液为电解质溶液。作为本专利技术制备所述高性能超级电容器方法的优选，所述EDOT和LiClO4的乙腈溶液中EDOT和LiClO4的摩尔浓度为0.08-0.12mol/L，EDOT和LiClO4的摩尔比为0.9～1.1:0.9～1.1。作为本专利技术制备所述高性能超级电容器方法的优选，电化学沉积时电势范围为0.5-1.5V，扫描速度为40-60mV/s，循环圈数为10-25圈。本专利技术的有益效果在于：本专利技术将有机导电聚合物PEDOT和过渡金属氧化物Co3O4结合成具有类似于树状的结构的纳米复合物，它不仅很好的继承了PEDOT和Co3O4本身的优点，还通过材料结合后的相互修饰和协同作用体现出明显优于单独材料的性能；本专利技术进一步通过巧妙的方法制作出一种基于PEDOT/Co3O4纳米复合物的对称性超级电容器，该电容器以滤纸作为隔膜，中性NaClO4溶液作为电解液。本专利技术超级电容器具有极高的比容量(在电流密度为0.2mA/cm2时，167.12mF/cm2；在高电流密度为30mA/cm2时，118mF/cm2)，很好的循环稳定性(1000圈循环后可保留初始容量的93％)。此外，通过三电极体系测得的复合材料的能量密度和功率密度也相当可观(分别为23.2Wh/cm2和957.6W/cm2)。本专利技术中的方法可应用于大规模生产。因此，这种新型的基于PEDOT/Co3O4纳米复合物的高性能超级电容器可以应用于常见的日常消费类电子产品和需要高容量的大型仪器设备。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为实施例和比较例所得电极片的扫描电镜图，其中：图1a为对比例1所得Co3O4纳米线的正面SEM图，图1b为对比例1所得Co3O4纳米线的截面SEM图；图1c为实施例1所得PEDOT/Co3O4的纳米复合物的正面SEM图，图1d为实施例1所得PEDOT/Co3O4的纳米复合物的截面SEM图；图1e为实施例2所得PEDOT/Co3O4的纳米复合物的正面SEM图，图1f为实施例2所得PEDOT/Co3O4的纳米复合物的截面SEM图；图1g为对比例2在空白钛片上电沉积得到的PEDOT的正面SEM图，图1h为对比例2在空白钛片上电沉积得到的PEDOT的截面SEM图。图2为实施例1、对比例1和对比例2的透射电镜图；其中：图2a为对比例1所得Co3O4纳米线的TEM图，图2b为图2a的局部放大图；图2c为实施例1所得PEDOT/Co3O4的纳米复合物的TEM图，图2d为图2c的局部放大图；图2e为对比例2所得PEDOT的TEM图，图2f为图2e的局部放大图。图3为实施例1制得的PEDOT/Co3O4纳米复合物、比较例1制得的Co3O4、比较例2制得的PEDOT的XRD衍射图和FTIR谱图；其中：图3a为钛片、PEDOT、Co3O4和PEDOT/Co3O4纳米复合物的XRD图；图3b为钛片、PEDOT、Co3O4和PEDOT/Co3O4纳米复合物的局部放大XRD图；图3c为KBr、PEDOT、Co3O4和PEDOT/Co3O4纳米复合物的红外谱图(FTIR)。图4.PEDOT/Co3O4纳米复合物通过水热、煅烧和电沉积法在钛片上的生长机理图。图5为PEDOT、Co3O4、以及改变电沉积循环圈数制备得到的不同电沉积循环数下的PEDOT/Co3O4纳米复合物的三电极电化学表征图；其中：图5a为三电极体系下，PEDOT(对比例2)，Co3O4(对比例1)，以及CV电沉积循环圈数分别为2、10、20(实施例1)、25、50(实施例2)的PEDOT/Co3O4纳米复合物在扫描速率为50mV/s时的循环伏安曲线图(CV)；图5b为三电极体系下，PEDOT(对比例2)，Co3O4(对比例1)，以及CV电沉积循环圈数分别为2、10、20(实施例1)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能超级电容器，该电容器由电极片I→电解液I→隔膜→电解液II→电极片II依次组装而成，其特征在于：所述电极片I、II为PEDOT/Co3O4纳米复合物。

【技术特征摘要】
1.一种高性能超级电容器，该电容器由电极片I→电解液I→隔膜→电解液II→电极片II依次组装而成，其特征在于：所述电极片I、II为具有类似树状结构的PEDOT/Co3O4纳米复合物。2.根据权利要求1所述高性能超级电容器，其特征在于：所述电解液I、II为NaClO4的水溶液，其摩尔浓度为0.45～0.55mol/L。3.根据权利要求1所述高性能超级电容器，其特征在于：所述电极片I、II尺寸为5.8mm～6.2mm×1.8mm～2.2mm，所述电解液I、II的体积为13-16μL。4.制备如权利要求1-3任意一项所述高性能超级电容器的方法，包括PEDOT/Co3O4纳米复合物制备，电解液配置和组装步骤，其特征在于：PEDOT/Co3O4纳米复合物制备时包括如下步骤：I：水热反应在金属基底上生长碱式碳酸钴；II：煅烧步骤I所得碱式碳酸钴得到Co3O4；III：在步骤II中的Co3O4表面电化学沉积生长PEDOT。5.根据权利要求4所述制备高性能超级电容器的方法，其特征在于，步骤I生长碱式碳酸钴时包括以下步骤：i：配制硝酸钴和尿素混合水溶液；ii：将金属基底置于步骤i的溶液中，加热溶液温度至85-95℃，保温反应12-15小时；...

【专利技术属性】
技术研发人员：李长明，杨萍萍，谢佳乐，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85