一种超级电容器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种超级电容器及其制备方法，属于电容器技术领域。超级电容器的制备方法，包括如下步骤：使用阳极氧化法在钛片上制备二氧化钛纳米管阵列。在二氧化钛纳米管阵列的表面沉积固体电解质。在固体电解质的远离在二氧化钛纳米管阵列的一面沉积过渡金属氧化物。上述制备方法简单，得到的超级电容器的具备高质量比容量、高能量密度的优势，同时能在极宽的温度范围内工作。

Supercapacitor and preparation method thereof

The invention provides a super capacitor and a preparation method thereof, belonging to the technical field of capacitors. The preparation method of the supercapacitor comprises the following steps: the titanium dioxide nanotube array is prepared on the titanium sheet by the anodic oxidation method. Solid electrolyte was deposited on the surface of TiO2 nanotube arrays. The transition metal oxides are deposited on the surface of the titanium dioxide nanotube arrays in the solid electrolyte. The preparation method is simple, and the obtained supercapacitor has the advantages of high specific mass capacity, high energy density, and can work in a wide temperature range.

【技术实现步骤摘要】
一种超级电容器及其制备方法
本专利技术涉及电容器
，具体而言，涉及一种超级电容器及其制备方法。
技术介绍
为了解决21世纪所面临的传统能源枯竭、环境恶化等一系列危机，研究者们一直致力于新型、高效、清洁、可再生能源材料与器件的研究与应用。目前各种形式的能源中，电能最容易传输与利用。为了有效利用电能，通过清洁、可再生的途径转化、储存电能一直是一个重要研究课题。超级电容器(Supercapacitor)也叫做电化学电容器(ElectrochemicalCapacitor)、双电层电容器(ElectricalDouble－LayerCapacitor)、黄金电容、法拉电容，是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件。其储能基本原理为：当向电极充电时，处于理想极化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面上形成双电荷层，构成双电层电容。由于两电荷层的距离非常小(一般0.5mm以下)，再加之采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍的增加，从而产生极大的电容量。因此超级电容器是通过极化电解质来储能，在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为如此，超级电容器可以反复充放电数十万次，而长寿命是其最大特点。此外，另外一种机理，发生在表面的快速法拉第过程因为具备电容型的动力学特性被称为赝电容，这种电容具备更高的比容量同时具备很好的倍率特性和稳定性。现有的超级电容器的质量比容量和能量密度具有一定的限制，不能达到客户的需求。目前市场上针对能量型应用目标的电容器有三种，一种是双电层电容器，其电极材料为活性炭，电解质是有机电解质溶液，工作电压2.7V，能量密度受到活性炭工作机理(比容量80F/g)所限，为3￣8Wh/kg，寿命100万次，工作温度受到有机溶剂的限制，约为－45℃￣70℃；另外一种是非对称超级电容器，一极为活性炭，另外一极为氢氧化镍，采用一极双电层、一极赝电容的工作原理，由于采用水作为电解质溶剂，其电压达1.2V，能量密度可达10Wh/kg，其工作寿命约为10万次；最后一种是锂离子电容器，一极采用活性炭，另一极采用预嵌锂的石墨，工作原理为双电层电容+锂离子嵌入/脱嵌，具备高电压(3.8V)、高能量密度(15￣20Wh/kg)、较长寿命(10万次)以及受限于锂离子嵌入/脱嵌过程的工作温度(－20￣60℃)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超级电容器的制备方法，上述制备方法简单，容易操作。本专利技术的另一目的在于提供一种上述制备方法得到的超级电容器，具备高质量比容量、高能量密度的优势。本专利技术是采用以下技术方案实现的：一种超级电容器的制备方法，包括如下步骤：(1)、使用阳极氧化法在钛片上制备二氧化钛纳米管阵列；(2)、在二氧化钛纳米管阵列的表面沉积固体电解质；(3)、在固体电解质的远离在二氧化钛纳米管阵列的一面沉积过渡金属氧化物。进一步地，本专利技术较佳的实施例中，上述步骤(1)中，以钛片为正极，铂为负极在电解液中进行阳极氧化1－5h，后在450－550℃的温度下退火2.5－3.5h。进一步地，本专利技术较佳的实施例中，上述电解液是将氟化铵溶于乙二醇与去离子水的混合溶液中制成。进一步地，本专利技术较佳的实施例中，上述步骤(2)中，以二氧化钛纳米管阵列作为工作极，铂片作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，在沉积液中进行电化学沉积。进一步地，本专利技术较佳的实施例中，上述沉积液的制备方法为：将硫酸钠溶于去离子水中形成电解溶液，将加入硫化钠溶于电解溶液中形成第一沉积液，将硫酸锂溶于电解溶液中形成第二沉积液，将硫酸锌溶于电解溶液中形成第三沉积液。进一步地，本专利技术较佳的实施例中，上述依次在第一沉积液、电解溶液中、第二沉积液、电解溶液、第一沉积液、电解溶液、第三沉积液和电解溶液中进行扫描。进一步地，本专利技术较佳的实施例中，上述步骤(3)中，过渡金属氧化物选自五氧化二钒、二氧化锰和氧化镍中的任意一种。进一步地，本专利技术较佳的实施例中，上述沉积过渡金属氧化物的具体方法为：利用钒或锰或镍过渡金属作为靶材，进行磁控溅射沉积。进一步地，本专利技术较佳的实施例中，上述沉积五氧化二钒的具体方法为：以金属钒作为溅射靶材、氧气作为工作气体、氩气作为载气，在溅射功率为180－250W、衬底温度为350－500℃的条件下进行溅射沉积。一种上述超级电容器的制备方法制备得到的超级电容器。本专利技术的较佳实施例提供的超级电容器的制备方法的有益效果是：使用阳极氧化法在钛片上制备二氧化钛纳米管阵列，形成超级电容器的负极，得到二氧化钛纳米管阵列，可以形成大量独立的管型超级电容并联成的电容器，使后续得到的超级电容器具备高质量比容量、高能量密度的优势。在二氧化钛纳米管阵列的表面沉积固体电解质，可以限制固体电解质在纳米管阵列表面的生长，使其生长厚度为纳米量级，使每一根纳米管上都形成负极/电解质/正极这样类核壳结构的微型纳米级非对称超级电容器，从而在极小的面积上通过纳米管阵列形成极高的比容量以及快速的充放电能力。在固体电解质的远离在二氧化钛纳米管阵列的一面沉积过渡金属氧化物，形成超级电容器的正极，使超级电容器的正负极之间具有极高的接触面积，电极厚度较薄，使其能量密度更高，电极容量更大。本专利技术提供的超级电容器的制备方法制备得到的超级电容器的有益效果为：具备高质量比容量、高能量密度的优势，能在极宽的温度范围内工作。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图也属于本专利技术的保护范围。图1为本专利技术提供的超级电容器的制备方法的工艺流程图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对本专利技术实施例提供的超级电容器的制备方法进行具体说明。图1为本专利技术提供的超级电容器的制备方法的工艺流程图。请参阅图1，超级电容器的制备方法，包括如下步骤：(1)、使用阳极氧化法在钛片上制备二氧化钛纳米管阵列，得到的二氧化钛纳米管阵列作为超级电容器的负极，得到二氧化钛纳米管阵列，可以形成大量独立的管型超级电容并联成的电容器，使后续得到的超级电容器具备高质量比容量、高能量密度的优势。电解液是将氟化铵溶于乙二醇与去离子水的混合溶液中制成。其中，电解液中，乙二醇的体积占电解液体积的10％－30％。先将钛片经过丙酮、无水乙醇和去离子水的超声洗涤，后以钛片为正极，铂为负极在电解液中进行阳极氧化1－5h，后在450－550℃的温度下退火2.5－3.5h，得到二氧化钛纳米管阵列。二氧化钛纳米管的管径为50－100nm，管长为1－100μm，此条件下的二氧化钛纳米管在最后得到的超级电容器具有更高的质量比容量，更大的能量密度。优选地，在进行阳极氧化的时候，在电解池中进行恒温搅拌，温度为30－50℃，利用恒压源进行阳极氧化，其中，电压为20－50v，在此温度条件下进行阳极氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超级电容器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)、使用阳极氧化法在钛片上制备二氧化钛纳米管阵列；(2)、在所述二氧化钛纳米管阵列的表面沉积固体电解质；(3)、在所述固体电解质的远离在所述二氧化钛纳米管阵列的一面沉积过渡金属氧化物。

【技术特征摘要】
1.一种超级电容器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)、使用阳极氧化法在钛片上制备二氧化钛纳米管阵列；(2)、在所述二氧化钛纳米管阵列的表面沉积固体电解质；(3)、在所述固体电解质的远离在所述二氧化钛纳米管阵列的一面沉积过渡金属氧化物。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，以钛片为正极，铂为负极在电解液中进行阳极氧化1－5h，后在450－550℃的温度下退火2.5－3.5h。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述电解液是将氟化铵溶于乙二醇与去离子水的混合溶液中制成。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，以所述二氧化钛纳米管阵列作为工作极，铂片作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，在沉积液中进行电化学沉积。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述沉积液的制备方法为：将硫酸钠溶于去离子水中形成电解溶液，将加入硫化钠溶于所述电解溶液中形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐建华，郭亚楠，何鑫，毛喜玲，周榆久，杨文耀，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51