一种适用于大电流充／放电工作条件的电化学电容器，属于电化学电容器技术领域。其中正极材料使用具有水滑石典型层状结构的双金属氢氧化物，负极材料使用炭材料，电解质使用水系强碱性溶液，其特征在于：电解液中加入具有良好电化学可逆性的氧化还原电对，或其单独的氧化态形式，或其单独的还原态形式。该电容器在大电流工作条件下具有良好的电容性能，特别适合重负荷情况下对快速启动／制动有特殊要求的场合。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种适用于大电流充/放电工作条件的电化学电容 器，属于电化学电容器
技术介绍
电化学电容器是一种新型储能装置，其比电容比传统的电介质电 容器高出许多。与传统的电池体系相比，具有功率密度高的优点，而 且充放电速度快，对环境友好，循环寿命长(一般可充放几千乃至上 万次)。因而在许多领域具有潜在的应用前景，尤其适合在极短时间 内输出很大电流的场合，如车辆、飞机的快速启动，军用武器的点火等；同时可利用其良好的可逆性将能量储存起来，如用于汽车、列车 刹车时的储能。目前，尤其看好与其它电源供给系统联用，作为辅助 电源用于燃料电池系统和电动汽车的开发。根据工作时储存电荷过程中有无电荷传递的原则来分，可将电化 学电容器分为两大类 一种称为双电层电容器，在储存/释放电荷时 只在电极/电解液界面发生电荷(电子、离子)的堆积，不存在电荷 传递过程；另一种称为法拉第赝电容器，其特点是在电极/电解液界面上进行电荷堆积的同时，还伴随有电荷传递，即发生法拉第电化学 过程。这种特殊的现象是由于其电极材料的特殊， 一般这些电极材料 本身就可以发生氧化还原反应，即电子得失，或电极上有特殊电解液 离子的吸/脱附。炭材料和水合二氧化钌分别是双电层电容器和法拉第赝电容器 的代表性电极材料，他们的电容特征类似，如循环伏安曲线中阳极过 程和阴极过程呈对称的镜像，恒电流充放电曲线呈对称的三角形(电 流-电压为线性关系)。表现这种独特的性能是由于无论炭材料还是水 合二氧化钌都是良好的电子导体。但是这两种材料也各有缺陷，限制 了其实际应用炭材料的比电容相对较低，而且电荷储存机制为双电 层电容。要增大其比电容，只能扩大其比表面积，然而一种材料的比 表面积并不能无限扩大。使用二氧化钌则成本很高，而且长期使用后对环境有害。因此，许多其它材料如NiO、 Co304、 Mn02等过渡金属 氧化物被相继研究、开发，试图作为炭材料和二氧化钌的替代材料。 但是，这些材料往往是半导体，并不具有炭或二氧化钌的良好的导电 性能，尤其在需要进行大电流充/放电的极端工作场合下性能更差， 导致这些材料的开发与实际应用还有一段相当大的距离。为了改善导 电性能，常采用向电极材料中掺加导电剂如乙炔黑的方法，也有用炭 材料对电极材料进行包覆的做法。但是对于改善电解质溶液的做法还 未见有报道，除了一些文献中采用离子液体或有机溶剂作为电化学电 容器的电解质。本专利技术从一个全新的角度阐述通过向电解质溶液添加 龟化学可逆性良好的氧化还原电对，可以改变电极/电解液界面上的传荷机制，大幅度提高电化学电容器的比电容，适应大电流充/放电 的工作要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种电化学电容器比电容高，适应大电 流充/放电工作要求的电化学电容器。上述适用于大电流充/放电工作条件的电化学电容器，其中正极 材料使用具有水滑石典型层状结构的双金属氢氧化物，负极材料使用 炭材料，电解质使用水系强碱性溶液，其特征在于电解液中加入具 有良好电化学可逆性的氧化还原电对，或其单独的氧化态形式，或其 单独的还原态形式。上述氧化还原电对可为配合物离子电对或简单离子电对。其中所述配合物离子电对包括Fe(CN)637Fe(CN)64-、 Co(CN)637Co(CN)64-、 Ru(CN)637Ru(CN)64-。上述具有水滑石结构的含两种金属元素的氢氧化物可以选自含 一种二价金属和一种三价金属的氢氧化物，二价金属可以是Cd、 Co、 Ni、 Mn、 Fe或其它具有可变化合价的过渡金属元素，三价金属可以 是A1、 Fe、 Mn、 Co、 V、 Cr、 Ga、 In、 Ti、 Ni或其它三价金属元素。上述负极使用的材料可以是活性炭、碳纤维、炭毪、炭布、碳纳 米管、介孔炭等中的一种或几种混合使用。上述电解质为LiOH、 NaOH、 KOH或其它无机强碱的水溶液。本专利技术的原理解释如下在传统的电池体系和法拉第赝电容器中都有氧化还原反应发生，但二者有本质的区别。在一般的电池体系(锂 离子电池除外)中，电池的电动势(或电压) 一般维持不变，直到所 有的反应物消耗完毕，即电化学反应可以一直从电极材料表面进行到 本体内部。在法拉第赝电容器中则不然。这是由于电化学电容器自身 具有快速的电流-电压响应特性，氧化还原反应不可能深入进行，只 能发生在电极材料表面或其浅层。这就为改善电化学赝电容器的电容 性能提供了便利条件只需在电极/电解液界面提高电荷传递的速率， 就能提高电化学反应的性能，满足大电流充/放电的工作要求。在本专利技术中，为了提高电化学反应的性能，满足大电流充/放电 的工作要求，具体实施是向无机碱性电解质溶液中添加电化学可逆性 能良好的氧化还原电对。详细过程描述如下设<9,、、分别是电极活性材料和氧化还原电对的氧化态形式，、 i 2分别是电极活性材料和氧化还原电对的还原态形式。在电极活性物质的放电过程中，电极活性物质发生以下还原反应(9, + me-—凡同时，在电极/电解液界面附近发生氧化还原电对的氧化反应，为前一反应及时送来必需的电子i 2 一02 +充电过程则发生相反的反应，由氧化还原电对及时带走电极活性物质 充电时生成的电子。即添加的氧化还原电对在电极活性物质的充放电 过程中充当电子载体的作用，加快了电极活性物质的电荷传递速率。本专利技术从一个全新的角度阐述通过向电解质溶液添加电化学可 逆性良好的氧化还原电对，可以改变电极/电解液界面上的传荷机制， 大幅度提高电化学电容器的比电容，适应大电流充/放电的工作要求。附图说明图1是向1 M KOH溶液中添加0.05 M铁氰酸钾和0.05 M亚铁 氰酸钾前后钴铝双氢氧化物电极的交流阻抗比较(0.5 V vs. SCE)。具体实施例方式下边以钴铝双金属氢氧化物(Co-AlLDH)作为电化学电容器的 电极活性材料，氢氧化钾(KOH)水溶液作为电解质，铁氰酸钾(K3Fe(CN)6)和亚铁氰酸钾(K4Fe(CN)6)作为氧化还原电对，给出 以下具体实例。实例1以80: 10: IO的质量比称取Co-AILDH、乙炔黑和聚偏氟乙烯 (PVDF)，制成薄片，作为研究电极。电化学测试采用单室无隔膜三 电极体系，其中铂片作辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极。1M KOH水溶液作为电解质。充放电电流密度为2 A/g，电位区间为-0.1 V 至0.5V (vs. SCE)。实例2以80: 10: 10的质量比称取Co-AILDH、乙炔黑和聚偏氟乙烯 (PVDF)，制成薄片，作为研究电极。电化学测试采用单室无隔膜三电极体系，其中铂片作辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极。1MKOH水溶液作为电解质，其中添加K3Fe(CN)6，使其浓度为0.1M。 充放电电流密度为2A/g，电位区间为-0.1 V至0.5V (vs. SCE)。实例3以80: 10: 10的质量比称取Co-AILDH、乙炔黑和聚偏氟乙烯 (PVDF)，制成薄片，作为研究电极。电化学测试采用单室无隔膜三 电极体系，其中铂片作辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极。1M KOH水溶液作为电解质，其中添加K4Fe(CN)6，使其浓度为0.1 M。 充放电电流密度为2A/g，电位区间为-0.1 V至0.5V (vs. SCE)本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种适用于大电流充／放电工作条件的电化学电容器，其中正极材料使用具有水滑石典型层状结构的双金属氢氧化物，负极材料使用炭材料，电解质使用水系强碱性溶液，其特征在于：电解液中加入具有良好电化学可逆性的氧化还原电对，或其单独的氧化态形式，或其单独的还原态形式。
【技术特征摘要】
1、一种适用于大电流充/放电工作条件的电化学电容器，其中正极材料使用具有水滑石典型层状结构的双金属氢氧化物，负极材料使用炭材料，电解质使用水系强碱性溶液，其特征在于电解液中加入具有良好电化学可逆性的氧化还原电对，或其单独的氧化态形式，或其单独的还原态形式。2、 根据权利1所述的适用于大电流充/放电工...
【专利技术属性】
技术研发人员：张校刚，苏凌浩，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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