一种铋/炭超级电容电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铋/炭超级电容电池及其制备方法。本发明专利技术的超级电容电池以铋电极提供法拉第电容，炭电极提供双电层电容，碱溶液为电解质。所述的铋为0.005～5μm粒径的金属铋粉末、比表面积为5～500m2/g，其制备方法为：将适当摩尔比的助剂与一定浓度的铋离子配成混合溶液，然后向其滴加还原剂进行反应，制备出金属铋粉末材料。构造该电池时以铋电极为电容量限制电极，炭电极的电容量比铋电极电容量过剩0～30％。本发明专利技术超级电容电池的工作电压为0～1V，在电流密度为0.5A/g时的比电容为258mAh/g。该电池具有良好的电化学性能、环境友好，是一种具有广阔应用前景的新型化学电源。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种铋/炭超级电容电池及其制备方法，属于电化学储能

技术介绍
随着社会的进步，人们对能源的需求飞速增长。目前最常见的储能器件包括电池和超级电容器两种，而在许多领域，这两者已不能很好地满足应用需求。为了同时获得较高的能量密度和功率密度，人们开始设计新型的超级电容电池，超级电容电池的一极是双电层电容电极，另一极是法拉第电容电极。超级电容电池综合了双电层电容器和电池的优点，它具有比传统电化学电容器更大的能量密度、比二次电池更高的功率密度，而且可快速充放电，使用寿命长，是一种高效实用的能量存储装置，具有广泛的应用前景。电极活性材料是决定化学电源性能的关键因素，通常选用的电源活性材料是金属及金属氧化物、炭材料等。我国拥有十分丰富的铋资源，是世界上铋储量最大的国家，目前已探明的铋储量占世界总储量的70％以上。铋，83号元素，是一种具有共价键的典型的半金属元素，铋金属具有近似石墨的层状结构，熔点较低，仅有271℃，而沸点比熔点高1580℃，适宜用液相分散的方法制备纳米金属铋粉，且铋金属是一种绿色金属，因此铋已在医药、环保、化妆品、陶瓷、染料、润滑油、功能材料等领域显现出潜在的应用价值。王彦敏等[山东交通学院学报4(2012)67-74.]以硝酸铋为原料，乙二醇为溶剂和还原剂，PVP为稳定剂，采用溶剂热法制备了单晶铋纳米带。赵彦保等[无机化学学报9(2003)997-1000.]以铋粒为起始原料，液体石蜡为溶剂，硬脂酸为修饰剂，采用分散法制备出硬脂酸修饰铋纳米微粒，并对其反应机理进行了研究。王轶等[延边大学学报:自然科学版3(2011)245-248.]以氯化铋为原料，水合肼为还原剂，油酸钠为表面活性剂，采用水相一步还原法制备出高纯度、粒径为20nm近似球形的超细金属铋纳米粒子，并探索了反应温度、还原剂浓度对铋纳米粒子的影响。唐春娟等[材料研究学报3(2011)273-277.]以五水硝酸铋为原料，水合肼为还原剂，CTAB为包覆剂，水和乙二胺为溶剂，详细研究了水和乙二胺的组分变化对产物的形貌和结构的影响，并进一步提出了乙二胺模板效应以及由乙二胺引起的从动力学向热力学转换控制晶体生长的生长机制。Dai等[ChemicalPhysicsLetters591(2014)126–129.]通过改变表面活性剂的种类，制备出不同形貌的铋纳米粒子，其中采用P123为表面活性剂，能够制备出由六边形纳米棱柱组成的铋纳米花。Kim等[MaterialsChemistryandPhysics153(2015)316-322.]采用碱式碳酸铋为原料，在以四甘醇为溶剂、PVP为包覆剂的溶液中，通过两步煅烧法把直接碱式碳酸铋还原成球形铋纳米粒子。CJTang等[JPhysChemC113(2009)5422-5427.]分别以乙二醇和乙二胺为溶剂，通过溶剂热反应制备出铋纳米线和铋纳米花。Wang等[JPhysChemB110(2006)25702-25706.]通过改变PVP与铋原料的摩尔比，采用多元醇还原法，制备出不同形貌的单晶铋纳米粒子，并且在相同的合成条件下，通过引入痕量的Fe3+，能够把铋纳米立方体转换成铋纳米带。Wang等[JPhysChemB109(2005)7067-7072.]在室温下以DMF为溶剂，氯化铋为铋源，硼氢化钠为还原剂，PVP为封端剂，制备出铋纳米粒子；并探索了实验条件对铋纳米粒子的尺寸和单分散性的影响。Ma等[ColloidsandSurfacesA:PhysicochemEngAspects395(2012)276-283.]以硝酸铋为铋源，酒石酸为络合剂，NaH2PO2·H2O为还原剂，通过调整酒石酸和氢氧化钠的量，采用液相表面修饰还原法制备出直径10-50nm的铋纳米粒及长度约为10μm宽度约为100nm的铋纳米带。Cheng等[MaterialsLetters63(2009)2239-2242.]采用乙二醇为溶剂，利用多元醇热法，在198℃下回流2小时，制备出铋微球或纳米球，并进一步研究了其可能的生长机理。Zeng等[AdvancedMaterials304(2016)1-8.]采用电化学沉积法制备出稳定的单晶态铋单质，并以铋为正极，NiCo2O4为负极，1mol/LKOH为电解液，制备出碱性二次电池，且经10000次循环后容量基本无衰减。Zuo等[Nanomaterials4(2015)1756-1765]以Ti为基底，采用简单的水热法使铋单质均匀分散在Ti基质上，在1mol/LKOH电解质溶液中和0.5A/g电流密度下铋电极比电容量为170mAh/g。TimothyS.Arthur等[ElectrochemistryCommunications16(2012)103-06.]采用电沉积法制备出单质Bi、Sb和Bi1-xSbx合金，并将其应用于Mg离子电池的正极材料。专利技术专利[申请公开号CN101569934A]公开了“一种金属铋纳米粒的制备方法”，通过混合可溶性铋盐水溶液和修饰剂有机溶液，加入还原剂，搅拌加热回流，制备出粒径分布比较均一的金属铋纳米粒。专利技术专利[申请公开号CN102212880A]公开了“一种Bi单质纳米结构材料及其制备方法与应用”，将表面活性剂、水合肼和铋盐溶于水制备成悬浊液；将所述悬浊液在80～120℃条件下反应18～30小时，制备出由片状六方晶相Bi单质为结构单元组成的具有花朵状形貌的纳米颗粒，并将其制备成铋修饰电极，应用于水溶液中的重金属离子检测。专利技术专利[申请公开号CN102717095A]公开了“一种单分散铋纳米颗粒的制备方法”，本专利技术采用乙酸铋作为铋源，油胺或油酸作为包裹剂和表面活性稳定剂，在有机相体系中合成铋纳米颗粒，所制得的铋纳米颗粒具有较高的产率，很好的稳定性。专利技术专利[申请公开号CN102989507A]公开了“一种铋基光催化剂的制备及性能检测方法”，该专利技术首先将Bi(NO3)3·5H2O溶于醋酸，以乙二醇为反应介质，搅拌混匀，再加入一定体积的二甲基甲酰胺后，将得到的溶液经加热回流并搅拌即得到产物Bi-DMF花球。将制备的Bi-DMF花球在可见光条件下进行光催化性能测试，在2h内罗丹明由紫色褪为无色，降解完全。表明此球形铋基催化剂在可见光范围内，具有良好的光催化性能。专利技术专利[申请公开号CN105312086A]公开了“一种石榴状碳包覆铋纳米复合材料和其制备方法”，该专利技术在密闭容器中，将水溶性糖类、硝酸铋和聚乙烯吡咯烷酮溶于水，再加入有机酸，在160～260℃反应，经洗涤、干燥得到石榴状碳包覆铋纳米复合材料。并且该材料对黑索金的热分解有明显的催化作用，可将其应用于推进剂燃烧催化。专利技术专利[申请公开号CN104475133A]公开了“一种Bi/BiOCl光催化剂的制备方法”，本专利技术采用一步燃烧法，以硝酸铋、氯化铵和柠檬酸为原料，通过硝酸盐和柠檬酸间的氧化还原反应，制备出Bi/BiOCl复合光催化剂。目前已有不少关于金属铋作为光催化剂和润滑剂等应用方面的报道，但关于铋在超级电容电池方面的研究与应用还未见相关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型的铋/炭超级电容电池及其制备方法。本专利技术采用铋电极提供法拉第电容量，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铋/炭超级电容电池，其特征在于，铋电极提供法拉第电容，炭电极提供双电层电容，碱溶液作为电解液，构造该超级电容电池时，采用铋电极为电容量限制电极，炭电极的电容量比铋电极的电容量过剩0～30％。

【技术特征摘要】
1.一种铋/炭超级电容电池，其特征在于，铋电极提供法拉第电容，炭电极提供双电层电容，碱溶液作为电解液，构造该超级电容电池时，采用铋电极为电容量限制电极，炭电极的电容量比铋电极的电容量过剩0～30％。2.根据权利要求1所述的铋/炭超级电容电池，其特征在于：所述的炭电极，所采用的炭材料为活性炭、石墨化碳、或者石墨烯材料，其元素组成按质量百分比计为：碳元素60～95％、氧元素0.01～25％、氢元素0.05～5％、氮元素0～15％；炭材料的粒径为0.05～3μm、比表面积为500～3000m2/g。3.根据权利要求1所述的铋/炭超级电容电池，其特征在于，铋电极材料由粒径为0.005～5μm的金属铋粉末材料构成，其比表面积为5～500m2/g。4.根据权利要求1、2或3所述的铋/炭超级电容电池，其特征在于，铋电极材料的制备方法包括如下步骤:(1)将可溶性的铋原料溶于溶剂中，将其配制成铋离子浓度为0.01～5mol/L的溶液；或者将不溶性的铋原料溶于酸中，配制成铋离子浓度为0.01～5mol/L的溶液；(2)将还原剂溶解于溶剂中配制成浓度为0.1～16mol/L还原剂溶液；(3)按助剂与铋离子(0～10):1的摩尔比，将助剂加入到铋离子溶液中，充分混合；(4)在温度为0～100℃和搅拌条件下，按还原剂与铋离子的摩尔比为(1～100):1将还原剂溶液滴加到含助剂的铋离子溶液中，滴加完成后继续搅拌反应1～360min后，将产物分别用水和乙醇洗涤，并进行固液分离，将固体物在30～100℃的真空干燥箱中烘干6～36h至恒重制备出铋粉末，即铋电极材料。5.根据权利要求4所述的铋/炭超级电容电池，其特征在于，所述的溶剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇、丙三醇、聚乙二醇、三乙醇胺、四甘醇、二甲基甲酰胺中一种或两种以上；所述的酸溶液为盐酸、硫酸、醋酸或硝酸，其浓度为0.1～5mol/L。6.根据权利要求4所述的铋/炭超级电容电池，其特征在于，所述的铋原料，包括金属铋、氧化铋、氢氧化铋、碳酸铋、碱式碳酸铋、硫酸氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘恩辉，蒋海霞，王洛，杨锃，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43