一种氢氧化钴和活性炭分别为正负极的非对称式超级电容器的制备方法技术

本发明专利技术涉及氢氧化钴和活性碳分别为正、负极的非对称式超级电容器及其制备方法。正极采用碳材料/氢氧化钴电极，负极采用碳材料或泡沫镍/活性炭电极，正负极间以聚丙烯磺酸膜等隔膜隔开，电解液为碱性水溶液，组装成为单体超级电容器或超级电容器组。通过正极氢氧化钴提供赝电容与负极活性碳提供双电层电容，有效地提高了比电容，并拓宽了电容器的电势工作窗口，从而提高超级电容器的能量密度。由于正极氢氧化钴材料发生准可逆的氧化还原反应，负极活性碳为静电物理吸附，本发明专利技术的非对称超级电容器具有良好的循环稳定性和使用寿命。该种超级电容器组采用软包装形式，大大提高了超级电容器整体装置的质量能量密度。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于化学电源
，具体涉及一种氢氧化钴和活性碳分别为正、负极的非对称式超级电容器及其制备方法。
技术介绍
：超级电容器与电池相比具有较大的充放电电流密度、较大的功率密度、较高的循环稳定性和对环境友好等优点，是一种高效的能量储存装置，具有广泛的应用前景。而水系非对称超级电容器具有成本低、组装和操作简便等优点，受到研究者的广泛关注。然而，相比于可再生电池，超级电容器仍旧存在着能量密度低等缺陷，因此如何提高超级电容器的能量密度成为超级电容器发展的关键。人们采用具有赝电容性质的氢氧化物、氧化物、导电聚合物等作为正极材料，而采用具有双电层性质的碳材料等作为负极材料，构成非对称式超级电容器，因为研究中发现这种非对称结构可以有效地拓宽超级电容器的电压工作窗口，从而提高超级电容器的能量密度。从已开发的非对称式超级电容器来看，其在水系电解液中电压范围可以达到1.0-2.0V，明显高于活性炭对称式超级电容器；前者比能量在20-40Wh/kg，后者一般低于10Wh/kg。而本文制备的氢氧化钴电极，其比电容可达到600-900F/g，从而组装的非对称式超级电容器具有较高的比容量，可达到50-100F/g,同时具有较高的能量密度，可达到20-30Wh/kg。本文中选用的氢氧化钴具有较大的理论比容值和接近可逆的氧化还原峰，选用的活性碳也可以在负电位区提供较大的比容值，因而其超级电容器的比电容较高，可获得较高的能量密度，并且其循环稳定性也高，在电流密度2A/g下，在3000次循环后该超级电容器仍旧具有较大的能量密度，为初始能量密度的91.3％。
技术实现思路
：本专利技术所要解决的技术问题为提供一种氢氧化钴和活性碳分别为正、负极的非对称式超级电容器及其制备方法，目的在于提高超级电容器的能量密度，同时具有较好的充放电循环稳定性。为了解决以上技术问题，本专利技术提供的技术方案具体步骤如下：一种氢氧化钴和活性碳分别为正、负极的非对称式超级电容器的制备方法，其特征在于：非对称式超级电容器的正极材料为氢氧化钴，负极材料为活性炭，电解液选取碱性水溶液，其电极材料的制作和电容器的组装步骤如下：步骤1：将碳材料经过有机溶剂超声处理，除去有机杂质；将碳材料经过盐酸或硫酸酸化处理，除去无机杂质并提高碳材料比表面积；采用恒电位或恒电流电化学沉积，在经过处理的碳材料上生长氢氧化钴薄膜，得到氢氧化钴电极，将其作为超级电容器正极使用；步骤2：将泡沫镍或碳材料作为基底，经过有机溶剂、无机酸和去离子水处理，除去有机物和氧化膜；将活性炭与导电剂、粘结剂进行混合，刮涂或喷涂于经过处理的基底上，得到活性炭电极，将其作为超级电容器负极使用；步骤3：将聚丙烯磺酸膜放入所使用的碱性溶液中浸泡待用；步骤4：将超级电容器正极、负极、隔膜、密封胶垫和端板，通过螺栓组合成硬包装的超级电容器单体或组合，或将超级电容器正极、负极、隔膜，通过金属薄壳焊接或塑料膜热压组合成软包装的超级电容器单体或组合；采用医用注射器或真空泵方式，将电解液沿着预留孔道注入超级电容器内，固定后密封；步骤5：将步骤4中组装的超级电容器单体或组合进行串联或并联构成超级电容器组复合电路，从而达到所要求的工作电流和电压。进一步，在步骤1中，碳材料基底包括碳纤维布、碳纤维毡、碳纤维纸或石墨，对上述碳材料表面进行处理，得到清洁碳材料基底；具体为，在丙酮或乙醇等有机溶剂中浸泡1～5小时，然后超声5～60分钟；然后在盐酸或硫酸等无机酸中浸泡1～5小时，然后超声5～60分钟；在去离子水中浸泡1～5小时，然后超声5～60分钟，除去无机酸；最后将清理后的碳材料基底放入恒温干燥箱中在60℃下干燥12h。进一步，在步骤1中，所述的电化学沉积过程中，沉积时间为1min～2h，电解液硝酸钴浓度为0.1～2mol/L，沉积温度为30～60℃，沉积电位选择-0.6V～-1.3V，单位面积电极表面沉积电流为0.01A～2A/cm2，单位面积电极表面沉积氢氧化钴质量为0.5～15mg/cm2。进一步，在步骤2中，对泡沫镍或碳材料进行表面处理，得到清洁泡沫镍或碳材料基底；具体为泡沫镍或碳材料分别在有机溶剂丙酮或乙醇等有机溶液中浸泡1～5小时，然后超声5～60分钟；在无机酸盐酸或硫酸等水溶液中浸泡1～5小时，然后超声5～60分钟；在去离子水中浸泡1～5小时，然后超声5～60分钟，除去无机酸；然后将处理后的泡沫镍或碳材料放入恒温干燥箱中在60℃下干燥12h。进一步，在步骤2中，采用刮涂或喷涂方法，得到泡沫镍或碳材料/活性炭电极，作为超级电容器负极使用，活性炭与导电石墨或乙炔黑、Nafion溶液或聚四氟乳液按照80～90:5～15:3～7的比例混合，制成均匀的浆料涂覆或喷涂于基底上；单位面积电极表面上活性炭混合物的质量为1～50mg/cm2。进一步，在步骤4中，电解液为碱性水溶液，碱性溶质可以是氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或它们按一定比例的混合，浓度为0.5～6mol/L。进一步，在步骤4中，所述超级电容器单体，其形状可以为方形、长方形或圆形，单体电极面积可为1cm2～2500cm2；电解液体积根据包装尺寸和电极尺寸及数量而改变，单体超级电容器电解液体积为5ml～2000ml。。在步骤4中，根据需要采用硬包装或软包装，软包装适合于要求大能量的移动场合电源，硬包装适合于不计较质量大小的非移动场合电源。对于软包装，可以在每个金属薄壳内或塑料膜内由多个正极和负极及隔膜组成，但它们共用同一电解液；与硬包装相比，节省了许多端板、隔板、螺栓和胶垫等，正极和负极的对数越多，节省的材料越多，其超级电容器组的质量比电容和质量能量密度越高，目前可达到2-20个单体超级电容器的组合。本专利技术的有益效果为：1、本专利技术中，正极基底选用的碳基底材料具有适合的孔通道，不仅有较好的电导性；并且碳基底材料与电沉积的氢氧化钴具有很好的结合性和相容性，可以使氢氧化钴膜电极具有良好的循环稳定性和长期使用寿命。2、本专利技术中，采用电沉积方法制备纯氢氧化钴薄膜电极，没有粘结剂和导电剂的额外添加，膜厚度和孔隙尺寸分布均匀，活性高，可以获得高比电容的氢氧化钴正极材料，为高能量超级电容器提供了关键性元件。3、本专利技术中，采用纯氢氧化钴电极与活性炭电极合理的匹配，使这种非对称电容器有较宽的电位窗口，具有较高的能量密度。4、本专利技术中，所用材料普通，制备工艺容易实现，尤其是电沉积工艺已实现电极表观面积由1cm2向100cm2的过渡，由此制作的大型超级电容器组合非常适合做移动电源，因为只有大面积的电极才能满足高能量、高功率的需求。5、本专利技术中，由于正负极室的电解液相同，隔膜仅起电绝缘作用，多个超级电容器单体可共用同一电解液，不仅节省电解液的用量，而且省去了比较重的端板、隔板、胶垫、螺栓等隔离和密封材料，使超级电容器组整体的质量能量密度大幅度提高，这种软包装的超级电容器组合特别适用于汽车、轨道列车、野外作业设备和军事设备等的移动电源，对实际应用具有非常重要的意义。附图说明：图1电极面积为1cm2的氢氧化钴电极在扫速10mV/s时的循环伏安曲线。图2电极面积为1cm2的氢氧化钴电极在2A/g时的恒电流充放电曲线。图3电极面积为1cm2的活性炭电极在扫速10mV/s时的循环伏安本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氢氧化钴和活性碳分别为正、负极的非对称式超级电容器的制备方法，其特征在于：非对称式超级电容器的正极材料为氢氧化钴，负极材料为活性炭，电解液选取碱性水溶液，其电极材料的制作和电容器的组装步骤如下：步骤1：将碳材料经过有机溶剂超声处理，除去有机杂质；将碳材料经过盐酸或硫酸酸化处理，除去无机杂质并提高碳材料比表面积；采用恒电位或恒电流电化学沉积，在经过处理的碳材料上生长氢氧化钴薄膜，得到氢氧化钴电极，将其作为超级电容器正极使用；步骤2：将泡沫镍或碳材料作为基底，经过有机溶剂、无机酸和去离子水处理，除去有机物和氧化膜；将活性炭与导电剂、粘结剂进行混合，刮涂或喷涂于经过处理的基底上，得到活性炭电极，将其作为超级电容器负极使用；步骤3：将聚丙烯磺酸膜放入所使用的碱性溶液中浸泡待用；步骤4：将超级电容器正极、负极、隔膜、密封胶垫和端板，通过螺栓组合成硬包装的超级电容器单体或超级电容器组，或将超级电容器正极、负极、隔膜，通过金属薄壳焊接或塑料膜热压组合成软包装的超级电容器单体或超级电容器组；采用医用注射器或真空泵方式，将电解液沿着预留孔道注入超级电容器内，固定后密封；步骤5：将步骤4中组装的超级电容器单体进行串联或并联构成超级电容器组合电路，从而达到所要求的工作电流和电压。...

【技术特征摘要】
1.一种氢氧化钴和活性碳分别为正、负极的非对称式超级电容器的制备方法，其特征在于：非对称式超级电容器的正极材料为氢氧化钴，负极材料为活性炭，电解液选取碱性水溶液，其电极材料的制作和电容器的组装步骤如下：步骤1：将碳材料经过有机溶剂超声处理，除去有机杂质；将碳材料经过盐酸或硫酸酸化处理，除去无机杂质并提高碳材料比表面积；采用恒电位或恒电流电化学沉积，在经过处理的碳材料上生长氢氧化钴薄膜，得到氢氧化钴电极，将其作为超级电容器正极使用；步骤2：将泡沫镍或碳材料作为基底，经过有机溶剂、无机酸和去离子水处理，除去有机物和氧化膜；将活性炭与导电剂、粘结剂进行混合，刮涂或喷涂于经过处理的基底上，得到活性炭电极，将其作为超级电容器负极使用；步骤3：将聚丙烯磺酸膜放入所使用的碱性溶液中浸泡待用；步骤4：将超级电容器正极、负极、隔膜、密封胶垫和端板，通过螺栓组合成硬包装的超级电容器单体或超级电容器组，或将超级电容器正极、负极、隔膜，通过金属薄壳焊接或塑料膜热压组合成软包装的超级电容器单体或超级电容器组；采用医用注射器或真空泵方式，将电解液沿着预留孔道注入超级电容器内，固定后密封；步骤5：将步骤4中组装的超级电容器单体进行串联或并联构成超级电容器组合电路，从而达到所要求的工作电流和电压。2.如权利要求1所述的一种氢氧化钴和活性碳分别为正、负极的非对称式超级电容器的制备方法，其特征在于：在步骤1中，碳材料基底包括碳纤维布、碳纤维毡、碳纤维纸或石墨，对上述碳材料表面进行处理，得到清洁碳材料基底；具体为，在丙酮或乙醇等有机溶剂中浸泡1～5小时，然后超声5～60分钟；然后在盐酸或硫酸等无机酸中浸泡1～5小时，然后超声5～60分钟；在去离子水中浸泡1～5小时，然后超声5～60分钟，除去无机酸；最后将清理后的碳材料基底放入恒温干燥箱中在60℃下干燥12h。3.如权利要求1所述的一种氢氧化钴和活性碳分别为正、负极的非对称式超级电容器的制备方法，其特征在于：在步骤1中，所述的电化学沉积过程中，沉积时间为1min～2h，电解液硝酸钴浓度为0.1～2mol/L，沉积温度为30～60℃，沉积电位选择-0.6V～-1.3V，单位面积电极表面沉积电流为0.01A～2A/cm2，单位面积电极表面沉积氢氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑伟涛，李迁，邓霆，田宏伟，张恒彬，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22