基于单壁碳纳米管/氧化钨纳米线复合薄膜电极的超级电容器制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于单壁碳纳米管/氧化钨纳米线复合薄膜电极的超级电容器制备方法，包括：空气氛围下，配制钨盐和聚乙烯吡咯烷酮的无水乙醇前驱体溶液，160～200℃反应10～20h，冷却，离心，洗涤，分散，得W18O49纳米线分散液；将纳米线分散液与单壁碳纳米管混合，抽滤，洗涤，干燥，得单壁碳纳米管/氧化钨纳米线复合薄膜电极；复合薄膜电极作为阴极，单壁碳纳米管/聚苯胺薄膜作为阳极，铝盐溶液作为电解液，组装，即得。本发明专利技术的方法实现了双电层电极材料和赝电容电极材料在微纳米层次上的复合，得到的超级电容器具有优异的铝离子电容性能及极佳的机械柔性，进一步扩展了超级电容器的应用范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超级电容器薄膜电极的制备领域，特别涉及一种基于单壁碳纳米管/氧化钨纳米线复合薄膜电极的超级电容器制备方法。
技术介绍
超级电容器作为目前最有应用前景的电化学储能器件而被广泛研究，根据电化学储能原理不同，超级电容器的电极材料分为双电层电极材料和赝电容电极材料。一般来说，双电层电极材料的电导率高、充放电速度快、电化学稳定性较好，但是电容量较小。而赝电容电极材料的电容性能较好，能量密度高，但存在充放电速率较低、稳定性较差的缺点。故将上述两种材料复合，结合二者的优点，尤其是选用纳米材料，利用其协同效应是目前的研究热点。目前超级电容器多使用含有一价阳离子的溶液作为电解液，但是这些离子电解液都存在着致命的缺点，例如，强酸性氢离子在电化学反应过程中，对金属氧化物类赝电容材料腐蚀性强，往往导致该类材料的电化学稳定性较低，而钠离子或钾离子又由于离子半径较大，很难嵌入到赝电容电极材料的内部，从而导致该类电容器的电容值极低。近些年，基于铝离子电解液的超级电容器逐渐受到人们的青睐，这主要是因为铝离子较低的离子半径导致较快的固相动力学，同时高价的离子嵌入需要更多的电子进行中和，从而导致成倍提高的比电容性能。但是基于铝离子的超级电容器在生产和应用方面还存在着一系列问题。第一，复合电极材料制备工艺复杂；第二，复合材料种类单一，微纳结构不利于铝离子嵌入，从而导致电容性能受到影响；第三，组装得到的超级电容器弯曲性能差，无法满足目前新兴的可穿戴设备等的要求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于单壁碳纳米管/氧化钨纳米线复合薄膜电极的超级电容器制备方法，该方法制备工艺简单，成本低，能实现双电层电极材料(单壁碳纳米管)和赝电容电极材料(W18O49纳米线)在纳米层次上的结构设计，使有两种材料各自的优势得到充分发挥，获得综合性能优异的基于铝离子的超级电容器。本专利技术通过简易快捷的方法制备的柔性单壁碳纳米管/氧化钨W18O49纳米线复合薄膜电极，并组装得到高性能高柔性的铝离子超级电容器，具有很高的研究意义和商业价值。本专利技术的一种基于单壁碳纳米管/氧化钨纳米线复合薄膜电极的超级电容器制备方法，包括：(1)空气氛围下，配制含有钨盐和聚乙烯吡咯烷酮的无水乙醇前驱体溶液，转移至水热釜中，160～200℃反应10～20h，自然冷却至室温，离心，洗涤，分散，得到W18O49纳米线分散液；(2)将步骤(1)中的W18O49纳米线分散液与单壁碳纳米管充分混合，抽滤，洗涤，干燥，得到柔性单壁碳纳米管/W18O49纳米线复合薄膜电极；(3)将步骤(2)中的单壁碳纳米管/W18O49纳米线复合薄膜电极作为阴极，单壁碳纳米管/聚苯胺薄膜作为阳极，铝盐溶液作为电解液，组装，得到基于单壁碳纳米管/W18O49纳米线复合薄膜电极的柔性铝离子超级电容器。所述步骤(1)中前驱体溶液中钨盐的浓度为0.2～1.2mg/ml，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为5～50μg/ml。所述步骤(1)中钨盐为六氯化钨。所述步骤(1)中前驱体溶液的配制过程中环境湿度为20～70％。所述步骤(1)中W18O49纳米线分散液的浓度为1～5mg/ml。所述步骤(1)中W18O49纳米线分散液的溶剂为去离子水。所述步骤(2)中W18O49纳米线和单壁碳纳米管的质量比为2:1～5:1。所述步骤(3)中铝盐溶液的浓度为0.5～1.5mol/L。所述铝盐溶液为氯化铝、硫酸铝、硝酸铝水溶液或高氯酸铝的碳酸丙烯酯溶液。所述步骤(3)中单壁碳纳米管/聚苯胺薄膜是参考文献(ACSNano,2010,4,2445)制备得到。有益效果(1)本专利技术的制备方法简单，成本低，适合规模化生产；(2)本专利技术通过直接将两者分散液混合抽滤的方法实现了两者在纳米层次上的复合，形成的具有优良结构的纳米线网络，为进一步开放新型超级电容器薄膜材料提供实验和理论基础；(3)本专利技术直接将两者分散液混合、抽滤得到的柔性单壁碳纳米管/W18O49纳米线复合薄膜电极不仅改善了单壁碳纳米管比电容小的不足，同时还克服了过渡金属氧化物循环稳定性差、功率密度小的缺点，组装得到的基于铝离子超级电容器具有极高的电化学高性能，在储能设备领域广泛的应用前景。附图说明图1为实施例1制备的W18O49纳米线的扫描电镜照片；图2为实施例1制备的单壁碳纳米管/W18O49纳米线复合薄膜电极的扫描电镜照片；图3为实施例1制备的单壁碳纳米管/W18O49纳米线复合薄膜电极在1M的氯化铝溶液中的恒流充放电曲线；图4为实施例1制备的单壁碳纳米管/W18O49纳米线复合薄膜电极在1M的氯化铝溶液中多次循环后的电容保持率；图5为实施例1以1M的氯化铝作为电解液组装的铝离子超级电容器的恒流充放电曲线；图6为实施例1所组装的铝离子超级电容器在多次弯曲条件下的比电容保持率。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1在湿度为50％空气环境中，将聚乙烯吡咯烷酮与六氯化钨分别放入无水乙醇溶液中搅拌，得到含有7μg/ml聚乙烯吡咯烷酮以及0.75mg/ml六氯化钨的前驱体溶液，将溶液放置于水热釜中，于180℃保温18小时，自然冷却至室温，离心洗涤后加入去离子水中，得到3mg/mlW18O49纳米线分散液。将含有15mg单壁碳纳米管的悬浮液与15ml上述W18O49纳米线分散液混合、抽滤、洗涤干燥得到单壁碳纳米管/W18O49纳米线柔性复合薄膜电极。将得到的复合薄膜作为阴极，单壁碳纳米管/聚苯胺薄膜作为阳极，1mol/L氯化铝水溶液作为电解液，组装得到铝离子超级电容器。图1为制备的W18O49纳米线的扫描电镜照片，可看出W18O49纳米线具有较高的长径比，直径为5nm～25nm。图2为制备的单壁碳纳米管/W18O49纳米线复合薄膜电极的扫描电镜照片，可看到碳纳米管与W18O49纳米线相互交织形成网络，并具有多级孔洞结构，保证了良好的离子传输与电子转移。图3为在1mol/L氯化铝溶液中，制备的单壁碳纳米管/W18O49纳米线复合薄膜电极的恒流充放电图，可看出复合薄膜电极具有极高的面积比电容和有良好的充放电可逆性。图4为复合薄膜电极的循环稳定性图，可以看出复合电极具有极高的循环稳定性，图5为以1M的氯化铝作为电解液组装的铝离子超级电容器的恒流充放电曲线，可看出所制备铝离子超级电容器具有较长的放电时间，说明其较高的能量密度。图6为所组装的铝离子超级电容器在多次弯曲条件下的比电容保持率，说明该铝离子超级电容器具有极高的机械柔性。实施例2在湿度为20％空气环境中，将聚乙烯吡咯烷酮与六氯化钨分别放入无水乙醇溶液中搅拌，得到含有7μg/ml聚乙烯吡咯烷酮以及0.2mg/ml六氯化钨的前驱体溶液，将溶液放置于水热釜中，于160℃保温18小时，自然冷却至室温，离心洗涤后加入去离子水中，得到3mg/mlW18O49纳米线分散液。将含有15mg单壁碳纳米管的悬浮液与15ml上述W18O49纳米线分散液混合、抽滤、洗涤干燥得到单壁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单壁碳纳米管/氧化钨纳米线复合薄膜电极的超级电容器制备方法，包括：(1)空气氛围下，配制含有钨盐和聚乙烯吡咯烷酮的无水乙醇前驱体溶液，160～200℃反应10～20h，冷却，离心，洗涤，分散，得到氧化钨W18O49纳米线分散液；(2)将步骤(1)中的W18O49纳米线分散液与单壁碳纳米管混合，抽滤，洗涤，干燥，得到单壁碳纳米管/W18O49纳米线复合薄膜电极；(3)将步骤(2)中的单壁碳纳米管/W18O49纳米线复合薄膜电极作为阴极，单壁碳纳米管/聚苯胺薄膜作为阳极，铝盐溶液作为电解液，组装，得到基于单壁碳纳米管/W18O49纳米线复合薄膜电极的超级电容器。

【技术特征摘要】
1.一种基于单壁碳纳米管/氧化钨纳米线复合薄膜电极的超级电容器制备方法，包括：(1)空气氛围下，配制含有钨盐和聚乙烯吡咯烷酮的无水乙醇前驱体溶液，160～200℃反应10～20h，冷却，离心，洗涤，分散，得到氧化钨W18O49纳米线分散液；(2)将步骤(1)中的W18O49纳米线分散液与单壁碳纳米管混合，抽滤，洗涤，干燥，得到单壁碳纳米管/W18O49纳米线复合薄膜电极；(3)将步骤(2)中的单壁碳纳米管/W18O49纳米线复合薄膜电极作为阴极，单壁碳纳米管/聚苯胺薄膜作为阳极，铝盐溶液作为电解液，组装，得到基于单壁碳纳米管/W18O49纳米线复合薄膜电极的超级电容器。2.根据权利要求1所述的一种基于单壁碳纳米管/氧化钨纳米线复合薄膜电极的超级电容器制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中前驱体溶液中钨盐的浓度为0.2～1.2mg/ml，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为5～50μg/ml。3.根据权利要求2所述的一种基于单壁碳纳米管/氧化钨纳米线复合薄膜电极的超级电容器制备方法，其特征在于，所述钨盐为六氯化钨。4.根据权利要求1所述的一种基于单壁碳纳米管/...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏志，李克睿，刘诗逸，李耀刚，张青红，侯成义，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31