一种超级电容器的制作方法技术

本发明专利技术公开了一种超级电容器的制作方法，主要以三聚氰胺海绵和苯胺单体为原料，通过在三聚氰胺多孔框架表面沉积聚苯胺以及不同温度下的碳化处理，制备具有催化活性的氮掺杂碳电极材料；同时在传统酸性电解质体系中引入氧化还原活性物质KI，通过电极催化该活性成分的氧化还原反应，通过电解质的额外赝电容贡献大幅提高相应超级电容器的比容，在超级电容器领域具有广阔的应用开发潜力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超级电容器电极材料的制备及器件的组装
，具体涉及一种基于催化活性氮掺杂碳电极和氧化还原活性电解质的超级电容器的制作方法。
技术介绍
超级电容器是一类绿色、高效的电化学储能器件，相比常规二次电池具有功率密度大、充放电快速、循环稳定性好和工作温度范围宽等优势，在不间断电源、混合动力电源等方面有重要应用前景。超级电容器的储能原理主要是通过多孔电极/电解液界面电荷聚集（双电层电容）或活性材料表面及内部可逆氧化还原反应（赝电容）来储存电荷，因此，电极材料是超级电容器的核心部件，其可接触表面积以及电极表面的氧化还原活性直接决定器件的电容及能量密度。电解质是超级电容器另一重要组成部分，主要通过离子扩散在电极表面吸附或参与电极反应，在电解质中引入赝电容活性成分，则可通过电解质的赝电容贡献提高超级电容器的比容。但是，电解质中赝电容活性物质的氧化还原反应活性较低，如果电极材料对电解质的氧化还原反应有催化活性，将有望大幅提高超级电容器的比容及能量密度。设计高比容及较高催化活性的电极材料，通过电极及电解质的双重电容贡献提高器件储能性能有较重要研究及开发意义。碳质材料是传统的电极材料，通过异质元素掺杂不仅能提供赝电容，而且能通过降低碳基体的功函提高催化活性，有望促进电解质中赝电容活性成分的氧化还原反应，从而有效提高超级电容器的比容和能量密度。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供了一种超级电容器的制作方法，该制作方法使用具有催化活性的氮掺杂碳电极材料，并在电解质中引入赝电容活性成分KI，通过电极材料对电解质活性成分氧化还原反应的催化作用，从电解质中获得额外赝电容贡献，以简单易行的技术方案大幅提高超级电容器的储能性能。该方案制备的氮掺杂碳电极材料在1A/g电流密度下的电极比容为203F/g，在相同条件下，在酸性电解质中添加不同浓度的氧化还原活性成分KI，最高可将电极比容提高三倍以上，显示出基于该电极材料和氧化还原活性电解质所构建电容器件在电化学储能性能方面的巨大开发潜力。本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种超级电容器的制作方法，其特征在于具体步骤为：步骤（1），氮掺杂碳电极材料的制备，将0.5-1mL苯胺单体和0.3-0.6g过二硫酸铵分别溶解在于0℃预冷过的摩尔浓度为1mol/L的酸溶液中，搅拌至完全溶解后将两种溶液充分混合形成混合溶液，将商业三聚氰胺海绵浸泡于上述混合溶液中，然后置于冰箱中冷藏保存，经过24h氧化聚合在三聚氰胺海绵表面覆盖了深绿色的聚苯胺，将聚合反应后的三聚氰胺海绵用去离子水洗涤至中性，于60℃干燥，然后转移至管式炉中在氮气气氛下于600-900℃煅烧1-6h，自然冷却至室温后依次用去离子水和乙醇洗涤并干燥得到氮掺杂碳材料；步骤（2），氧化还原活性电解液的配制，将碘化钾固体溶于50mL摩尔浓度为1mol/L的酸性溶液中形成氧化还原活性电解液，其中碘化钾的摩尔浓度为0.01-0.1mol/L；步骤（3），超级电容器的制作，将步骤（1）制得的氮掺杂碳材料与导电剂和粘结剂按85:10:5的质量比制成浆料，将浆料均匀刮涂在不锈钢集流体表面，控制其活性面积为1cm2，将两个质量及活性面积均相等的电极用亲水性玻璃纤维隔膜隔开组装成对称电极，浸泡于步骤（2）配制的氧化还原活性电解液中制成基于催化活性氮掺杂碳电极和氧化还原活性电解质的超级电容器。进一步优选，步骤（1）中所述的酸溶液为硫酸溶液或盐酸溶液。进一步优选，步骤（2）中所述的酸性溶液为硫酸溶液或磷酸溶液。进一步优选，步骤（3）中所述的导电剂为乙炔黑，所述的粘结剂为聚四氟乙烯。本专利技术制备的氮掺杂碳电极材料选用商业三聚氰胺海绵与苯胺作为反应原料，目的在于利用前者三维网状交联结构以及强大的吸附能力，在其多孔网络骨架表面均匀沉积聚苯胺，两者均有较高氮含量，煅烧处理可以获得氮含量高达11%的氮掺杂碳材料，而且这类碳材料未经任何活化处理就具有较大的比表面积以及良好的表面亲水性，能提供较高电极比容；同时在酸性电解质中添加氧化还原活性成分KI，在充放电过程中受电极催化，形成I3-/I-，I2/I-氧化还原电对，不同价态碘之间能发生可逆氧化还原反应，因而能够提供额外的赝电容，与单纯的酸性电解质相比，超级电容器电极比容能提高3倍以上。附图说明图1是本专利技术实施例3制备的氮掺杂碳电极材料的扫描电镜图，由图可知聚苯胺碳化的颗粒在三聚氰胺海绵碳多孔框架表面均匀沉积，材料整体呈现交联大孔结构，有利于电解质的充分填充、扩散传输以及与电极表面的充分接触，有利于获得较高的比容和倍率性能；图2a是本专利技术实施例3所制备的超级电容器在1mol/L H2SO4及KI+1mol/L H2SO4电解质体系下的循环伏安曲线，由图可以看出，KI的加入在0-0.3V范围出现明显的氧化还原峰，表明其显著的赝电容贡献；图2b为超级电容器在KI+酸电解质体系中不同电流密度下的恒流充放电曲线，由图可以看出超级电容器在各电流密度下均具有较高的比容。具体实施方式以下通过实施例对本专利技术的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本专利技术上述内容实现的技术均属于本专利技术的范围。实施例1将1mL苯胺单体和0.6g过二硫酸铵分别溶解于0℃预冷过的摩尔浓度为1mol/L 的硫酸溶液中，搅拌至完全溶解后将两种溶液充分混合形成混合溶液，混合溶液的总体积固定为100mL，将尺寸为10cm×5cm×3cm的商业三聚氰胺海绵浸泡在上述混合溶液中，放置在冰箱中冷藏保存，经过24h低温氧化聚合，三聚氰胺海绵表面均匀覆盖了深绿色的聚苯胺，将聚合反应后的三聚氰胺海绵用去离子水洗涤至中性，于60℃干燥，然后转移至管式炉中在氮气气氛下于600℃煅烧5h，自然冷却至室温后，依次用去离子水和乙醇洗涤并干燥得到氮掺杂碳材料。将0.5g所制备的氮掺杂碳材料，按照氮掺杂碳材料：乙炔黑：聚四氟乙烯=85:10:5的质量比例混合，经过充分研磨形成均匀浆料，将均匀浆料刮涂在不锈钢集流体上，活性面积为1cm2，将两个质量及活性面积均相同的电极用亲水性玻璃纤维隔膜隔开组装成对称电极，浸泡于50mL摩尔浓度为1mol/L的H2SO4电解质中形成超级电容器，该超级电容器在1A/g电流密度下进行恒电流充放电测试，其电极质量比容为203F/g。实施例2将1mL苯胺单体和0.6g过二硫酸铵分别溶解于0℃预冷过的摩尔浓度为1mol/L的硫酸溶液中，搅拌至完全溶解后将两种溶液充分混合形成混合溶液，混合溶液的总体积固定为100mL，将尺寸为10cm×5cm×3cm的商业三聚氰胺海绵浸泡在上述混合溶液中，放置在冰箱中冷藏保存，经过24h低温氧化聚合，三聚氰胺海绵表面均匀覆盖了深绿色的聚苯胺，将聚合反应后的三聚氰胺海绵用去离子水洗涤至中性，于60℃干燥，然后转移至管式炉中在氮气气氛下于600℃煅烧6h，自然冷却至室温后，依次用去离子水和乙醇洗涤并干燥得到氮掺杂碳材料。氮掺杂碳电极的制作方法同上，将两个质量及活性面积均相同的电极用亲水性玻璃纤维隔膜隔开组装成对称电极，浸泡于50mL含氧化还原活性成分的摩尔浓度为1mol/L的H3PO4电解质中形成超级电容器，其中H3PO4电解质中氧化还原活本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超级电容器的制作方法，其特征在于具体步骤为：步骤（1），氮掺杂碳电极材料的制备，将0.5‑1mL苯胺单体和0.3‑0.6g过二硫酸铵分别溶解于0℃预冷过的摩尔浓度为1mol/L的酸溶液中，搅拌至完全溶解后将两种溶液充分混合形成混合溶液，将商业三聚氰胺海绵浸泡于上述混合溶液中，然后置于冰箱中冷藏保存，经过24h氧化聚合在三聚氰胺海绵表面覆盖了深绿色的聚苯胺，将聚合反应后的三聚氰胺海绵用去离子水洗涤至中性，于60℃干燥，然后转移至管式炉中在氮气气氛下于600‑900℃煅烧1‑6h，自然冷却至室温后依次用去离子水和乙醇洗涤并干燥得到氮掺杂碳材料；步骤（2），氧化还原活性电解液的配制，将碘化钾固体溶于50mL摩尔浓度为1mol/L的酸性溶液中形成氧化还原活性电解液，其中碘化钾的摩尔浓度为0.01‑0.1mol/L；步骤（3），超级电容器的制作，将步骤（1）制得的氮掺杂碳材料与导电剂和粘结剂按85:10:5的质量比制成浆料，将浆料均匀刮涂在不锈钢集流体表面，控制其活性面积为1cm2，将两个质量及活性面积均相等的电极用亲水性玻璃纤维隔膜隔开组装成对称电极，浸泡于步骤（2）配制的氧化还原活性电解液中制成基于催化活性氮掺杂碳电极和氧化还原活性电解质的超级电容器。...

【技术特征摘要】
1.一种超级电容器的制作方法，其特征在于具体步骤为：步骤（1），氮掺杂碳电极材料的制备，将0.5-1mL苯胺单体和0.3-0.6g过二硫酸铵分别溶解于0℃预冷过的摩尔浓度为1mol/L的酸溶液中，搅拌至完全溶解后将两种溶液充分混合形成混合溶液，将商业三聚氰胺海绵浸泡于上述混合溶液中，然后置于冰箱中冷藏保存，经过24h氧化聚合在三聚氰胺海绵表面覆盖了深绿色的聚苯胺，将聚合反应后的三聚氰胺海绵用去离子水洗涤至中性，于60℃干燥，然后转移至管式炉中在氮气气氛下于600-900℃煅烧1-6h，自然冷却至室温后依次用去离子水和乙醇洗涤并干燥得到氮掺杂碳材料；步骤（2），氧化还原活性电解液的配制，将碘化钾固体溶于50mL摩尔浓度为1mol/L的酸性溶液中形成氧化还原活性电解液，其中碘化钾的摩尔浓度为0...

【专利技术属性】
技术研发人员：高志永，常玖利，武大鹏，徐芳，陈利明，蒋凯，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南;41