超级电容器制造技术

一种锂离子混合超级电容器，其包括(i)包含氮掺杂的碳纳米管(N

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超级电容器


[0001]本专利技术总体上涉及超级电容器，并且特别地涉及锂离子超级电容器。

技术介绍

[0002]可充电锂离子电池是现代装置中普遍存在的能量储存介质。传统的可充电电池可以提供高能量密度以对最常见的装置供电。然而，它们能够产生的功率固有地是有限的。
[0003]在这种情况下，超级电容器因其比可充电电池更高的功率密度和更长的寿命周期而受到强烈关注。因此，超级电容器可以代表对于传统可充电锂离子电池的有效替代品，用于要求快速功率输出和充电的应用，如再生制动、短期能量储存、混合动力电动汽车、大型工业装备和便携式装置。然而，商业可用的超级电容器的能量密度远低于可充电电池，这严重限制了它们对于许多应用的潜力。
[0004]相应地，因此仍然存在解决或改善与当前能量储存介质相关的一个或多个缺点或短处的机会。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种锂离子混合超级电容器，其包括(i)包含氮掺杂的碳纳米管(N
‑
CNT)的电极和(ii)包含导电石墨烯材料的电极。
[0006]本专利技术的超级电容器是“混合的”，因为它结合了(i)与包含N
‑
CNT的电极(在放电期间充当阳极)相关的赝电容性特性和(ii)包含导电石墨烯材料的电极(在放电期间充当阴极)的电容性电双层功能。因此，本专利技术的超级电容器有利地结合了电池型电极和超级电容器型电极的功能，因为它可以提供与电池型电极相关的高能量密度以及与电容性电极相关的高功率密度和长循环寿命。
[0007]通过使电极中的一个包含碳纳米管，该电极的特征在于用于交换带电物质的高表面积。另外，氮掺杂的存在由于更强的氮
‑
锂相互作用而可以改善纳米管的电化学性能。特别地，N
‑
CNT可以有利地增加电极表面积，这有利于更强的赝电容，同时不会损害碳纳米管的导电性。
[0008]在一些实施方案中，N
‑
CNT具有至少约8％的氮原子含量。高含量的氮可以有利地增强导电性，以及增加缺陷位点的量以提供额外的锂离子储存。此外，高含量的石墨氮可以在充电/放电循环期间增强锂离子的反应性、导电性和转移，这有利于改善混合超级电容器的总体倍率能力。
[0009]N
‑
CNT的特定几何特性被认为在为电极提供优异的电容性属性方面起到了重要作用。在一些实施方案中，N
‑
CNT具有至少3μm的平均轴向长度。在这些情况下，电极可以显示出改进的电化学性能，如高可逆容量、优异的倍率能力和长期循环寿命。
[0010]通过使电极中的一个包含导电石墨烯材料，该电极的特征在于高导电性和显著的比面积。这确保了电极用作用于电解质的广泛传输平台。此外，导电石墨烯材料片的高导电性能够实现低扩散阻力，因此有助于增强功率和能量密度。
[0011]下面更详细地描述本专利技术的其他方面和实施方案。
附图说明
[0012]现在将参考以下非限制性附图来描述本专利技术的实施方案，其中：
[0013]图1示出了N
‑
CNT的制备步骤的示意图，
[0014]图2示出了所合成的聚苯胺纳米管(PANi
‑
NT)和N
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CNT的扫描电子显微镜(SEM)图像(图2(a)和2(c)，比例尺1μm)，以及PANi
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NT和N
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CNT的透射电子显微镜(TEM)图像(图2(b)和2(d)，比例尺200nm)，
[0015]图3示出了在PANi
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NT样品和N
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CNT样品上测量的X射线衍射(XRD)图，
[0016]图4示出了使用锂作为阴极电极的用于测试包含N
‑
CNT的电极的电化学特性的示意性半电池设置，
[0017]图5示出了在半电池配置中充当阳极的实施方案N
‑
CNT电极相对于锂阴极电极的循环伏安响应，
[0018]图6示出了在半电池配置中充当阳极的实施方案N
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CNT电极相对于锂阴极电极的倍率能力，
[0019]图7示出了在半电池配置中充当阳极的实施方案N
‑
CNT电极相对于锂阴极电极的循环稳定性，
[0020]图8示出了在半电池配置中充当阴极的实施方案还原的氧化石墨烯(rGO)电极相对于锂阳极电极的循环伏安响应，
[0021]图9示出了在半电池配置中充当阴极的实施方案rGO电极相对于锂阳极电极的倍率能力，
[0022]图10示出了在半电池配置中充当阴极的实施方案rGO电极相对于锂阳极电极的循环稳定性，
[0023]图11示出了NCNT和rGO电极在0.01
–
2.5V和1.5V
–
4.5V范围(相对于Li/Li+)内的组合CV曲线，
[0024]图12示出了在全电池配置的实施方案混合超级电容器上测量的CV曲线，
[0025]图13示出了在0.45A/g电流密度下在全电池配置中的实施方案混合超级电容器的恒电流充电/放电曲线，
[0026]图14示出了在9A/g电流密度下在全电池配置中的实施方案混合超级电容器的恒电流充电/放电曲线，
[0027]图15示出了在4,000次充电/放电循环期间在全电池配置中的实施方案混合超级电容器的容量保持率，和
[0028]图16示出了相对于对于多个现有设备报告的相应值，比较在全电池配置中的实施方案混合超级电容器的能量和功率密度的拉贡(Ragone)图。
具体实施方式
[0029]本专利技术提供一种锂离子混合超级电容器。
[0030]如本文所使用的，术语“超级电容器”是指能够通过经由在其电极的表面上的高度可逆离子吸附而对电双层进行充电来储存能量的装置。具体地，在超级电容器中，电能至少
部分地以双层电荷的形式储存，其中一个层是由电极材料提供的电荷，并且另一个层是由来自相邻电解质的离子提供的电荷。与传统介电电容器相比，超级电容器可以在保持高功率输出的同时提供更高的能量密度，并且通常具有大于100Wh/kg的比能量密度并且能够递送超过10,000W/kg的比功率密度。
[0031]通过为“混合的”，本专利技术的超级电容器具有不同的电极。特别地，本专利技术的超级电容器充当具有赝电容性法拉第电极和电容性电双层电极的不对称电池。混合超级电容器是“锂离子”混合超级电容器是指双层电荷由于移动的锂离子吸附在用作负电极(即阳极电极)操作的电极上而在电极表面上形成。
[0032]本专利技术的超级电容器具有包含氮掺杂的碳纳米管(N
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CNT)的电极。如本文所使用的，表述“碳纳米管”是指管状石墨。典型地，碳纳米管的直径小于约250nm。该表述以其最宽泛意义上使用以涵盖单壁碳纳米管(SWCN)(其中CNT为单一管状石墨层的形式)以及多壁碳纳米管(MWCN)(其中CNT为至少两个同轴管状石墨层的形式)。通过C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种锂离子混合超级电容器，包括：包含氮掺杂的碳纳米管(N
‑
CNT)的电极，和包含导电石墨烯材料的电极。2.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述N
‑
CNT的氮的原子含量为至少约10％。3.根据权利要求1或2所述的超级电容器，其中所述N
‑
CNT的平均轴向长度为至少3μm。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的超级电容器，其中所述N
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CNT的氧的原子含量为至少约2％。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的超级电容器，包括电解质，所述电解质是(i)锂盐和(ii)溶剂的溶液，所述锂盐选自Li[PF2(C2O4)2]、Li[SO3CF3]、Li[N(CF3SO2)2]、Li[C(CF3SO2)3]、Li[N(SO2C2F5)2]、LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiB(C6F5)4、LiB(C6H5)4、Li[B(C2O4)2]、Li[BF2(C2O4)]及其任意两种以上的混合物，所述溶剂选自碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸乙丙酯(EPC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)及其任意两种以上的混合物。6.根据权利要求1
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5中任一项所述的超级电容器，其中包含N
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CNT的所述电极还包含导电添加剂。7.根据权利要求6所述的超级电容器，其中所述导电添加剂选自乙炔黑、炭黑、碳纳米纤维及其组合。8.根据权利要求1
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7中任一项所述的超级电容器，其中包含N
‑
CNT的所述电极还包含粘合剂。9.根据权利要求8所述的超级电容器，其中所述粘合剂选自聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜赞，
申请(专利权)人：沃尔塔私人有限公司，
类型：发明
国别省市：