一种不对称超级电容器及其制备方法技术

本发明专利技术属于电化学领域，具体是一种不对称超级电容器及其制备方法，一种不对称超级电容器，包括正极极片、负极极片和电解液，所述电解液介于所述正极极片和负极极片之间的隔膜，所述正极极片的活性材料为δ

【技术实现步骤摘要】
一种不对称超级电容器及其制备方法


[0001]本专利技术属于电化学领域，具体是一种不对称超级电容器及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前，可充电电池和超级电容器作为两类常见的电能储能器件，广泛应用于生产、生活中。超级电容器，又名电化学电容器(ECs)，是一类具有高功率密度、高安全性和长使用寿命的电能储能器件，在许多领域发挥着作用。然而，受限于自身能量密度低,ECs的适用范围并不广泛，因此，想要促进ECs的发展，同时不牺牲其功率密度，是目前ECs领域的一个研究重点。
[0003]不对称超级电容器(ASCs)的出现，为解决ECs能量密度低这一问题提供了可行的途径。ASCs是由两种不同的材料组装而成的一种ECs，它可以利用两种材料具有的不同电势区间，组合后可以突破电解液分解电压的限制。即使是使用水系电解液，器件的工作电压也可以达到高于1V，从而大幅度提高器件的能量密度。而想要真正设计并实现高能量密度的ASCs，其关键在于寻找高容量且具有宽工作电势区间的电极材料。
[0004]ASCs在能量密度上具有明显的优势，所以近年来ASCs研究发展十分迅速，涌现出众多研究成果，如Nayak A K等(Nayak A K,Das A K,Pradhan D.High Performance Solid
‑
State Asymmetric Supercapacitor using Green Synthesized Graphene
–
WO3Nanowires Nanocomposite[J].ACS Sustainable Chemistry&Engineering,2017,5(11):10128
‑
10138.)使用WO3/rGO正极、AC为负极组装的全固态ASC，器件工作电压可达到2V，获得了26.7Wh
·
kg
‑1的能量密度。Sahoo R等(Sahoo R,Pham D T,Lee T H,et al.Redox
‑
Driven Route for Widening Voltage Window in Asymmetric Supercapacitor[J].ACS Nano,2018,12(8):8494
‑
8505.)研究的rGO@Mn3O4//rGO@VO2水系ASC的工作电压高达2.2V，得到了42.7Wh
·
kg
‑1和1.1kW
·
kg
‑1的能量密度和功率密度。Gu等(Gu Y,Fan L
‑
Q,Huang J
‑
L,et al.N
‑
doped reduced graphene oxide decorated NiSe
2 nanoparticles for high
‑
performance asymmetric supercapacitors[J].Journal of Power Sources,2019,425:60
‑
68.)报道了一种NiSe2/rGO的高性能电极材料，与AC匹配组装的ASC工作电压达到1.6V，能量密度达到40.5Wh
·
kg
‑1的同时还具有841.5Wh
·
kg
‑1的功率密度。Yang等(Yang Z M,Vinodh R,Balakrishnan B,et al.Rational design of asymmetric aqueous supercapacitor based on NAXMnO2 and N
‑
doped reduced graphene oxide[J].Journal of Energy Storage,2020,28:101293.)制备的Na
+
掺杂MnO2，比电容达到了288F
·
g
‑1，与氮掺杂的rGO匹配组装了ASC，器件的工作电压为2V，得到了52.7Wh
·
kg
‑1的高能量密度。Asaithambi S等(Asaithambi S,Sakthivel P,Karuppaiah M,et al.Preparation of Fe
‑
SnO2@CeO
2 nanocomposite electrode for asymmetric supercapacitor device performance analysis[J].Journal of Energy Storage,2021,36:102402.)制备了高性能的正极材料Fe
‑
SnO2@CeO2，以AC为负极组装了工作电压为1.5V的对称ASC，能量密度和功率密度最大分别达到32.2Wh
·
kg
‑1和7390W
·
kg
‑1。总结现有研究成
果，我们发现，有关ASCs的研究主要集中在正极材料。尤其是过渡族金属氧化物，依靠自身所具有的诸多优良性能，长久以来受到极大的关注。不过，完整的ASCs还需要负极材料的配合。然而，在很多的研究中，负极材料的研究被忽视了。研究者常常以碳材料作为负极，因为碳材料十分容易获取，具有电势窗口宽、性质稳定和导电性优良的等优点，是理想的负极材料选择。但是，碳材料比电容较低、不适合匹配高性能的正极，所以可以看到许多以碳材料作为负极的器件并未取得高能量密度。
[0005]在负极材料的研究中，有少量的研究的涉及Fe2O3、MoO3和WO3等金属氧化物(Choudhary N,Li C,Moore J,et al.Asymmetric Supercapacitor Electrodes and Devices[J].Advanced Materials,2017,29(21).)，金属氧化物一般具有高理论比容量，可以弥补碳材料容量低的不足。而且，对于两种金属氧化物组成的ASCs，可以根据两者的功函数大小大概确定器件的工作电压区间，具体参照下公式：
[0006]E＝1/F(ω
P
‑
ω
N
)N
A
+ΔE1+ΔE2[0007]ω
P
、ω
N
分别代表正、负极电极的功函数，N
A
是阿伏伽德罗常数，ΔE1、ΔE2分别为正、负电极表面偶极势。为实现大工作电压窗口，有效的策略是选择功函数差别大的两种金属氧化物。如Chang等(Chang J,Jin M H,Yao F,et al.Asymmetric Supercapacitors Based on Graphene/MnO
2 Nanospheres and Graphene/MoO
3 Nanosheets with High Energy Density[J].Adv本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种不对称超级电容器，其特征在于，包括正极极片、负极极片和电解液，所述电解液介于所述正极极片和负极极片之间的隔膜，所述正极极片的活性材料为δ
‑
MnO2，所述负极极片的活性材料为WO3和rGO的复合材料，其中，所述WO3和rGO的质量比值范围为：50
‑
5:1。2.根据权利要求1所述的一种不对称超级电容器，其特征在于，所述δ
‑
MnO2的制备方法为：取KMnO4和H2C2O4·
2H2O溶于浓硫酸稀释液中，搅拌至完全溶解后，控制温度为120
‑
260℃，反应24
‑
2h水热合成得到δ
‑
MnO2；其中，浓硫酸与水的体积比为1:200
‑
2000，浓硫酸与KMnO4的摩尔比为1:4
‑
30，草酸与KMnO4的摩尔比为1:1
‑
10。3.根据权利要求2所述的一种不对称超级电容器，其特征在于，水热合成得到的δ
‑
MnO2经自然冷却至室温，使用去离子水和/或无水乙醇冲洗数次后，80℃下干燥。4.根据权利要求1所述的一种不对称超级电容器，其特征在于，所述WO3和rGO的复合材料的制备方法为：取摩尔比为1:0.5
‑
5的Na2WO4·
2H2O和NaCl溶于水中，充分混合，调节溶液的pH至2，然后添加GO，充分混合，控制温度为120
‑
260℃反应36
‑
2h水热合成得到；其中，所述Na2WO4·
2H2O和水的摩尔比为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：江奇，陈兵，卢晓英，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：