一种非对称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非对称超级电容器及其制备方法，具体公开了一种含有非对称修饰碳基电极对的超级电容器及其制备方法，其中，超级电容器内部的非对称修饰碳基电极为成对电极，两个碳基电极均包含集流体和所述集流体表面的碳基材料，其中，一个碳基电极中还包含至少一种酚类化合物，而另一个碳基电极中还包含至少一种醌类化合物。本发明专利技术创新性提出将酚类和醌类分别修饰到碳基电极上，并作为超级电容器电极组成新的体系，显著提高超级电容器体系两个电极有效电容量，从而显著提高超级电容器的电容密度和能量密度，且制备方法简单、易于商业应用。

【技术实现步骤摘要】
一种非对称超级电容器及其制备方法
本专利技术属于超级电容器
，具有涉及一种非对称超级电容器及其制备方法。
技术介绍
超级电容器是一种介于二次电池和普通电容器之间的新型储电器件，兼有普通电容器和电池的双重功能，其功率密度远高于普通电池(10～100倍)，能量密度远高于传统物理电容(>100倍)。与普通电容器和电池相比，超级电容器具有体积小、容量大、充电速度快、循环寿命长、放电功率高、工作温度宽(-25℃～85℃)、可靠性好及成本低廉等优点，在能源、通讯、电子电力、国防等领域都有着十分广阔的应用前景，如：便携式仪器设备、数据记忆存储系统、电动汽车电源、应急后备电源等。目前各国在该领域研究的主要目标是制备高功率密度、高容量密度和性能稳定的可用于动力系统(包括后备电源和电动机车等)、可再生能源系统的超级电容器。碳基材料由于具有多孔、高比表面积、高孔隙率、化学稳定性好和使用寿命长等特点，经常被用作双电层电容器的电极材料，可获得较高的能量密度和功率密度。其中活性炭因其价格低廉更是被频繁用作目前大多数商业超级电容器的电极材料，但活性炭本身存在容量密度较低的缺点，进而限制了超级电容器在许多要求高能量密度领域的应用，因此提高活性炭基电极材料的容量密度成为目前亟待解决的关键问题之一。为了进一步提高碳基电极材料的性能，通过表面改性和各种新型制备工艺对碳基电极材料进行了大量研究工作，主要包括活性炭表面改性以及碳凝胶、碳纳米管、石墨烯、玻璃碳、碳纤维和热解聚合物基体所得到的碳泡沫等新型碳材料的研制。目前研制的活性炭的比表面积最大可达3000m2g-1以上，但其容量密度并不随比表面积的增大而呈现简单的递增，这与其孔隙率以及孔径分布密度密切相关，而且发现中微孔(2nm～50nm)所占的比例是决定其容量大小的关键因素之一。然而目前的活性炭中，一般微孔(<2nm)所占比例较大，而电解液不能有效浸润在所述微孔中，即微孔不能有效形成双电层而储存能量，因此，占较大比例存在的微孔对于提高材料的容量密度没有贡献，这是目前活性炭的容量密度不能有效提高的主要原因之一。例如，对于目前普通的比表面积＞2000m2g-1的活性炭电极材料，其比表面的利用率通常<30％，其水系电解液中容量密度一般<210Fg-1,组装成超级电容器的质量比电容＜50Fg-1。氧化还原电解液中电化学活性物在活性炭电极上能通过氧化还原反应产生法拉第准电容，由法拉第准电容所产生的电容量高于双电层电容量，因此提高活性炭基电极材料中的法拉第准电容贡献，可大幅度提高碳基超级电容器的容量密度。专利CN105632783A采用苯二酚类氧化还原活性成分将超级电容器的电极材料比电容提高2倍左右，但是相关文献报道单独使用对苯二酚组装的超级电容器在充放电时，仅仅在正极表现出酚羟基氧化还原的法拉第准电容，在负极仍然是电容密度低的双电层电容，整个超级电容器电容性能由于受两个电极电容串联的影响，变成主要受限于电容值低的双电层电容一个电极上，而不能充分发挥另一电极高法拉第准电容的优势。因此，寻找能提高超级电容器整体比电容量、以便满足超级电容器在高能量密度领域的应用需求的解决方案是我们的研究方向。
技术实现思路
基于现有技术存在的不足，专利技术人研究发现，要提高超级电容器整体比电容量，可以从超级电容器中的正负极的匹配性入手，发现匹配性好的正负极会对比电容量产生增益作用，基于这样的发现提出了本专利技术；具体而言，本专利技术提供一种非对称修饰碳基电极对，包含此非对称修饰碳基电极对的超级电容器的质量比电容达到250Fg-1以上，几乎是现有碳基电极组装的超级电容器的质量比电容的5倍，表现出高的电容量优势。同时，本专利技术的超级电容器同时具有不低于现有碳基电极组装的超级电容器的功率密度，实施简便，成本低廉，电容量和能量密度提高显著等诸多优点，易于商业应用。本专利技术技术方案如下：一种超级电容器用的非对称修饰碳基电极对，其中，一个电极包含至少一种酚类化合物、集流体和所述集流体表面的碳活性材料，另一个电极包含至少一种醌类化合物、集流体和所述集流体表面的碳活性材料。根据本专利技术，所述集流体优选为石墨片、铂箔、碳纤维布、石墨胶带、石墨烯膜中的至少一种。根据本专利技术，所述碳活性材料选自活性炭、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、泡沫碳中的一种或多种。根据本专利技术，所述酚类化合物选自双酚化合物和/或单酚化合物；优选地，所述双酚化合物选自苯二酚、卤化苯二酚、双酚A或其衍生物中的一种或多种；优选地，所述苯二酚选自对苯二酚、间苯二酚、邻苯二酚中的一种或多种；优选地，所述卤化苯二酚中的卤素选自F、Cl、Br或I，还优选为溴。优选地，所述双酚化合物的两个酚羟基处于对位。优选地，所述双酚化合物选自对苯二酚和/或溴化对苯二酚。优选地，所述单酚化合物选自苯酚和/或溴化苯酚。根据本专利技术，所述醌类化合物选自蒽醌类化合物和萘醌类化合物中的一种或多种；优选地，所述醌类化合物中，醌基所处芳香环上，含有对位醌基官能团；优选地，所述醌类化合物选自9,10-蒽醌磺酸钠、1,4-二羟基蒽醌磺酸钠、1,4-萘醌磺酸钠、1,2-萘醌磺酸钠或2,6-萘醌磺酸钠中的一种或多种。本专利技术还提供一种上述非对称修饰碳基电极对的制备方法，所述方法包括如下步骤：将碳活性材料涂覆于集流体之上，并浸渍于含有至少一种酚类化合物的溶液中，得到一个电极；将碳活性材料涂覆于集流体之上，并浸渍于含有至少一种醌类化合物的溶液中，得到另一个电极。根据本专利技术，所述浸渍的时间为12h以上，优选为12h～24h。根据本专利技术，所述含有至少一种酚类化合物的溶液的浓度为0.001molL-1-0.1molL-1；所述含有至少一种醌类化合物的溶液的浓度为0.001molL-1-0.1molL-1。根据本专利技术，所述含有至少一种酚类化合物的溶液与含有至少一种醌类化合物的溶液的浓度比为10:1～1:10。研究发现，所述酚类化合物或醛类化合物在碳基电极上表现额外的法拉第准电容贡献的大小可通过调整上述溶液的浓度进行调节；具体的，法拉第准电容贡献大的，可以适当降低溶液的浓度，而法拉第准电容贡献小的，则可以适当增加溶液的浓度。通过控制两种溶液的浓度比在上述范围，可以使得两个电极的电容量相当，并且能量密度有所增加，从而更好地实现本专利技术的目的。本专利技术还提供一种超级电容器，所述超级电容器包含所述非对称修饰碳基电极对，其中，含有酚类化合物的电极为正电极，含有醌类化合物的电极为负电极。根据本专利技术，所述超级电容器还包含电解液或凝胶电解质。优选地，所述电解液为酸性电解液，例如为硫酸、磷酸或盐酸；所述凝胶电解质为酸性凝胶电解质。根据本专利技术，所述超级电容器为钮扣式超级电容器或柔性固态超级电容器。本专利技术的原理和有益效果是：在正负碳基电极分别修饰上能在相应电位窗口内发生电化学氧化还原的活性物质，该活性物质分别增强正负碳基电极电容表现，从而显著提高整个超级电容器器件的电容表现和能量表现。进一步的，采用酸性电解液，其中的质子氢离子参与酚类化合物或醌类化合物的氧化还原反应；并且，选择在发生氧化还原反应时空间位阻小的对位官能团的酚类或醌类电化学有机物，进一步提高转化效率，增强氧化还原可逆性。具体而言，本专利技术公开了一种新型超级电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超级电容器用的非对称修饰碳基电极对，其特征在于，一电极包含至少一种酚类化合物、集流体和所述集流体表面的碳活性材料，另一电极包含至少一种醌类化合物、集流体和所述集流体表面的碳活性材料。

【技术特征摘要】
1.一种超级电容器用的非对称修饰碳基电极对，其特征在于，一电极包含至少一种酚类化合物、集流体和所述集流体表面的碳活性材料，另一电极包含至少一种醌类化合物、集流体和所述集流体表面的碳活性材料。2.根据权利要求1所述的非对称修饰碳基电极对，其特征在于，所述集流体为石墨片、铂箔、碳纤维布、石墨胶带、石墨烯膜中的至少一种；所述碳活性材料选自活性炭、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、泡沫碳中的一种或多种。3.根据权利要求1或2所述的非对称修饰碳基电极对，其特征在于，所述酚类化合物选自双酚化合物和/或单酚化合物；优选地，所述双酚化合物选自苯二酚、卤化苯二酚、双酚A或其衍生物中的一种或多种；优选地，所述苯二酚选自对苯二酚、间苯二酚、邻苯二酚中的一种或多种；优选地，所述卤化苯二酚中的卤素选自F、Cl、Br或I，还优选为溴；优选地，所述双酚化合物的两个酚羟基处于对位；优选地，所述双酚化合物选自对苯二酚和/或溴化对苯二酚；优选地，所述单酚化合物选自苯酚和/或溴化苯酚。4.根据权利要求1-3任一项所述的非对称修饰碳基电极对，其特征在于，所述醌类化合物选自蒽醌类化合物和萘醌类化合物中的一种或多种；优选地，所述醌类化合物中，醌基所处芳香环上，含有对位醌基官能团；优选地，所述醌类化合物选自9,10-蒽醌磺酸钠、1,4-二羟基蒽醌磺酸钠、1,4-萘醌磺酸钠、1,2-萘醌磺酸钠或2,...

【专利技术属性】
技术研发人员：张易宁，方建辉，王维，陈素晶，刘永川，苗小飞，陈远强，张祥昕，程健，林嵩岳，冯文豆，林长新，李达禄，李歆，薛熙来，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：福建,35