一种高能量密度型电容器用电解质材料制造技术

本发明专利技术涉及一种高能量密度型电容器用电解质材料，属于电气材料制备技术领域。在本发明专利技术技术方案中，当二氧化锰颗粒均匀负载在片层炭化纤维上时，炭化纤维片层间被二氧化锰晶粒隔开空隙，形成纳米尺度的介孔，同时，不同取向的片层无规则堆积会出现更大的孔隙，材料的利用率高;颗粒内部孔洞较大，为电解液迅速进入提供了重要的通道，有利于电子传输和离子扩散，通过增强二氧化锰本身之间的有效接触面积，同时二氧化锰颗粒上的空间可以为电解质中的带电离子提供储存空间，增加带电离子与二氧化锰材料表面的接触效率，从而使二氧化锰的赝电容性能得到最大程度的发挥，得到电化学性能优异的超级电容器。

【技术实现步骤摘要】
一种高能量密度型电容器用电解质材料
本专利技术涉及一种高能量密度型电容器用电解质材料，属于电气材料制备

技术介绍
能源作为社会发展的动力，其发展在很大程度上决定着社会发展的方向。从蒸汽机时代到电气时代，一个时代的开端以能源为标志，而一个时代的发展与进步则以其对能源的理解与利用为评判标准。能源从获取到利用，中间必须经过转化、储存以及利用三大步骤。能量转化是按照需要将能量从一种形式转化为另一种，如蒸汽机时代的蒸汽设备将燃料的化学能先转化为水的热能，在将水蒸气的热能转化为机械能，而在现代能量的转化方式则更为多样化。在能量的转化问题被攻克后，能量的储存问题变得尤为突出。电能，作为现代设备的基础能量之一，它的储存一直是科学与实践领域中研究的热点。化学电池以及传统电容器经过多年的研究发展以及实践使用，已经成为当今电能储备的主流器件。它们各自有着各自的优点，如化学电池能够储存较大的能量，且能够在规定条件下平稳、有效地进行放电过程；而传统电容器则具有极快的充放电速度，在需要快速精准控制的场合（集成电路板中电流的控制）具有极大的优势。由于传统电容器是通过两极板上的电荷有序排布与中和进行能量的储存与释放，这是一个纯物理的能量存储方式，从而限制了它可以储存的能量，使得其在一些领域的应用受到限制。化学电池的储能原理为法拉第化学反应，通过电极材料与电解质的反应过程，可以储存和释放大量的电荷，因此也就能够储存和释放大量的能量。但由于化学反应需要一定的时间并且必须遵循一定的步骤进行，导致电池的充电时间、充电电流、充电电压都必须符合反应过程的要求。同时，现在通常使用的电池电极材料与电解质溶液在电池失效后会对坏境产生极难消除的污染。在当代强调“在保护生态的前提下发展经济”的中国，对坏境产生不良影响的化学电池并不是未来能量储存设备的主流，必然会出现一种能够取代其位置的新型储能器件。超级电容器是一种区别于化学电池和传统电容器的新型储能元件，与化学电池相比它具有更高的功率密度，可以进行大电流、高速度的充放电且具有高的库伦效率和较长的使用寿命，但其能量密度远低于电池；与传统电容器相比，它的功率密度和充放电时间还远不及传统电容，甚至相差数个数量级。但超级电容器相比于传统电容器具有更高能量密度，能够符合更多实际使用中对储能元件的各方面要求。电解质溶液作为电容器的核心部件之一，其中的带电粒子负责电荷的传递与运输，使电容器的电路导通，实现能量的储存与释放。于超级电容器的储能原理，溶液中带电离子的迁移速度直接影响双电层电容中界面溶液层电荷的排布速度，以及赝电容中电极材料准法拉第反应过程中离子与电荷供给。而高的介电常数可以降低离子在溶液中的迁移阻力，提高迁移速度降低电容器的漏电电流和非工作能量损耗；目前超级电容器由于其能量密度低而无法商业化。此外，电解质也是超级电容器的关键部分，目前商业化产品都是采用液态电解质来组装且价格偏高，很难满足社会发展需求。凝胶聚合物电解质虽然封装工艺简单、方便，且取得一定成果。但是其能量密度不高，还很难满足市场的应用要求。传统使用炭材料制备电解质材料中，并不能很好的发挥其赝电容特性，导致材料的能量密度不高，所以对其进行有效的改善很有必要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题：针对凝胶聚合物电解质虽然封装工艺简单、方便，且取得一定成果。但是其能量密度不高，还很难满足市场的应用要求。传统使用炭材料制备电解质材料中，并不能很好的发挥其赝电容特性，导致材料的能量密度不高的问题，提供了一种高能量密度型电容器用电解质材料。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：（1）按质量比1:15，将研磨木粉与去离子水搅拌混合，得混合液，对混合液中滴加质量分数15％次氯酸钠溶液，待滴加完成后，搅拌混合得分散液，再按质量比1:8，将质量分数5％氢氧化钾溶液添加至分散液中，搅拌混合并离心分离，收集上层清液并真空冷冻干燥，得基体气凝胶材料，将基体气凝胶材料置于管式气氛炉中，通氮气排除空气，升温加热、保温炭化，静置冷却至室温，得基体炭凝胶材料；（2）按重量分数据计，分别称量45～50份去离子水、10～15份柠檬酸和1～2份乙酸锰置于烧杯中，调节pH至8.0，搅拌混合并保温反应，得改性凝胶材料，按质量比1:5，将改性凝胶材料添加至基体炭凝胶材料中，搅拌混合并置于研钵中，研磨分散并收集分散浆液，干燥后，程序升温、保温焙烧，静置冷却至室温，研磨得复合基体颗粒；（3）再按质量比1:10，将复合基体颗粒添加至硫酸中，酸化处理，过滤并收集滤饼，用去离子水洗涤滤饼至洗涤液呈中性后，干燥、研磨、过筛，得复合基体粉末；（4）取复合基体粉末并按重量份数计，分别称量45～50份去离子了水、10～15份质量分数5％聚乙烯醇溶液、25～30份聚乙烯吡咯烷酮溶液和1～2份0.05～0.08mol/L硫酸置于均质机中，搅拌混合并均质处理，待均质完成后，旋转蒸发，静置，即可制备得所述的高能量密度型电容器用电解质材料。所述的研磨木粉颗粒粒径为500目。所述的次氯酸钠溶液滴加速率为2～3mL/min。所述的升温加热、保温炭化为按3℃/min升温至850～900℃，保温炭化2～3h。所述的调节pH至8.0采用的是质量分数15％氨水。所述的程序升温、保温焙烧为按5℃/min升温至450～500℃，保温焙烧8～10h。所述的酸化处理使用的硫酸为2mol/L硫酸。所述的复合基体颗粒粒径可优选为500目。所述的均质处理温度为55～65℃。所述的旋转蒸发为在45～50℃下旋转蒸发至原体积的1/3。本专利技术与其他方法相比，有益技术效果是：（1）本专利技术技术方案中，通过酶解木粉，去除木质素与半纤维素后，形成凝胶并通过炭化处理，由于纤维材料炭化后，形成碳气凝胶材料，该凝胶材料复合锰材料进行改性，这样的炭气凝胶材料使其具有巨大的比表面积、独特的电子空穴结构决定了其不仅可以起到高效的催化作用，并且可提供大量的催化载体附着点，炭气凝胶凝胶超大的比表面积有于负载更多的催化剂，且贯通的网络提供大量离子转移通道，还可以为电子传输、转移提供特殊的导电网络，但是简单的制备的目前，限制于炭气凝胶基超级电容器发展的主要瓶颈在于炭材料颗粒的的团聚与堆叠，导致比表面积大幅下降、导电性能变差，从而导致比电容较低，所以本专利技术技术方案在气凝胶材料表面包覆二氧化锰材料进行改性，作为电解质进行组装得到柔性纤维超级电容器，拥有良好的循环稳定性，即使在循环纤维形状使其在便携式设备、可穿戴设备等领域有着无可比拟的优势；（2）在本专利技术技术方案中，一方面，当二氧化锰颗粒均匀负载在片层炭化纤维上时，炭化纤维片层间被二氧化锰晶粒隔开空隙，形成纳米尺度的介孔，同时，不同取向的片层无规则堆积会出现更大的孔隙，同时本专利技术技术方案添加氢氧化钾进行改性，氢氧化钾的加入能在二氧化锰与炭化纤维片层组装成凝胶过程中增加孔隙率，冷冻干燥后样品能形成有效的介孔，孔道的形成能丰富了物质在电化学反应过程中的电荷迁移的通道，进一步提高介孔碳材料的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高能量密度型电容器用电解质材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：/n（1）按质量比1:15，将研磨木粉与去离子水搅拌混合，得混合液，对混合液中滴加质量分数15％次氯酸钠溶液，待滴加完成后，搅拌混合得分散液，再按质量比1:8，将质量分数5％氢氧化钾溶液添加至分散液中，搅拌混合并离心分离，收集上层清液并真空冷冻干燥，得基体气凝胶材料，将基体气凝胶材料置于管式气氛炉中，通氮气排除空气，升温加热、保温炭化，静置冷却至室温，得基体炭凝胶材料；/n（2）按重量分数据计，分别称量45～50份去离子水、10～15份柠檬酸和1～2份乙酸锰置于烧杯中，调节pH至8.0，搅拌混合并保温反应，得改性凝胶材料，按质量比1:5，将改性凝胶材料添加至基体炭凝胶材料中，搅拌混合并置于研钵中，研磨分散并收集分散浆液，干燥后，程序升温、保温焙烧，静置冷却至室温，研磨得复合基体颗粒；/n（3）再按质量比1:10，将复合基体颗粒添加至硫酸中，酸化处理，过滤并收集滤饼，用去离子水洗涤滤饼至洗涤液呈中性后，干燥、研磨、过筛，得复合基体粉末；/n（4）取复合基体粉末并按重量份数计，分别称量45～50份去离子了水、10～15份质量分数5％聚乙烯醇溶液、25～30份聚乙烯吡咯烷酮溶液和1～2份0.05～0.08mol/L硫酸置于均质机中，搅拌混合并均质处理，待均质完成后，旋转蒸发，静置，即可制备得所述的高能量密度型电容器用电解质材料。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高能量密度型电容器用电解质材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）按质量比1:15，将研磨木粉与去离子水搅拌混合，得混合液，对混合液中滴加质量分数15％次氯酸钠溶液，待滴加完成后，搅拌混合得分散液，再按质量比1:8，将质量分数5％氢氧化钾溶液添加至分散液中，搅拌混合并离心分离，收集上层清液并真空冷冻干燥，得基体气凝胶材料，将基体气凝胶材料置于管式气氛炉中，通氮气排除空气，升温加热、保温炭化，静置冷却至室温，得基体炭凝胶材料；
（2）按重量分数据计，分别称量45～50份去离子水、10～15份柠檬酸和1～2份乙酸锰置于烧杯中，调节pH至8.0，搅拌混合并保温反应，得改性凝胶材料，按质量比1:5，将改性凝胶材料添加至基体炭凝胶材料中，搅拌混合并置于研钵中，研磨分散并收集分散浆液，干燥后，程序升温、保温焙烧，静置冷却至室温，研磨得复合基体颗粒；
（3）再按质量比1:10，将复合基体颗粒添加至硫酸中，酸化处理，过滤并收集滤饼，用去离子水洗涤滤饼至洗涤液呈中性后，干燥、研磨、过筛，得复合基体粉末；
（4）取复合基体粉末并按重量份数计，分别称量45～50份去离子了水、10～15份质量分数5％聚乙烯醇溶液、25～30份聚乙烯吡咯烷酮溶液和1～2份0.05～0.08mol/L硫酸置于均质机中，搅拌混合并均质处理，待均质完成后，旋转蒸发，静置，即可制备得所述的高能量密度型电容器用电解质材料。


2.根据权利要求1所述的一种高能量密度型电容器用电解质材料的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李忠勇，
申请(专利权)人：李忠勇，
类型：发明
国别省市：陕西;61