聚苯胺/碳纳米管混杂型超电容器制造技术

一种聚苯胺／碳纳米管混杂型超电容器，其结构依次含有正极电流收集体、正极、电解液及隔膜、负极和负极电流收集体，其特征在于：所述的正极采用聚苯胺或聚苯胺与碳材料组成的复合材料制成，所述的碳材料为碳纳米管、活性炭、碳纤维或乙炔黑中的一种或几种，其中碳材料的质量百分比含量小于３０％；所述的负极采用碳纳米管或碳纳米管与活性炭、碳纤维或乙炔黑组成的混合材料制成，其中活性炭、碳纤维或乙炔黑的质量百分比含量小于３０％。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
聚苯胺/碳纳米管混杂型超电容器
本专利技术涉及一种储能元件，特别涉及一种聚苯胺/碳纳米管混杂型超电容器的结构设计。
技术介绍
近二十年来，随着信息技术、电子产品、车用能源等领域中新技术的迅速产生和发展，人们更加关注新颖超电容器的研究与开发。超电容器又叫电化学电容器，是一种介于普通电容器与二次电池之间的新型储能元件。与传统电池相比，超电容器具有比功率高、充放电循环次数多、充放电时间短等优点；与传统的电解电容器相比较，它具有比容量大、比能量高等优点。超电容器有许多潜在的应用，大功率超电容器可以用作电动车辆的负载均衡装置，在电动车辆的启动、加速、爬坡等阶段提供辅助动力，在刹车时能快速存储发电机产生的大电流。用它与电池匹配可以使电池处于最佳供电状态，从而延长电池的使用寿命、提高能源利用效率、降低成本。中、小功率的超电容器也可用作电焊机、闪光灯、笔记本电脑、手持电子装置的辅助电源等。导电聚苯胺电极超电容器具有比能量高、成本低、可以通过分子设计选择不同的聚合物结构等优点，倍受人们的广泛关注。导电聚苯胺电极超电容器是通过在电极上电子导电聚合物膜中发生快速可逆的p型掺杂或去掺杂的氧化还原反应，使聚苯胺电极储存高密度的电荷，具有很高的法拉第准电容，从而实现高密度的电荷储存。但是聚苯胺贮存电荷的主要电压范围在1V以下，如：Kwang Sun Ryu等在《Journal of Power Sources》上发表的《Symmetricredox supercapacitor with conducting polyaniline electrodes》(2002年，103卷，305-309页)，也表明聚苯胺贮存电荷的主要电压范围在1V以下，这就限制了比能量的提高。由于比能量E＝1/2 CV2，故若能设法提高操作电压，便可以大大提高超电容器的比能量。1991年11月，日本电器公司的电镜专家Iijima首先在高分辨透射电子显微镜(HRTEM)下发现了碳纳米管，引起了人们的广泛关注。碳纳米管是由类似石墨的六边形网格所组成的一维管状碳材料，它可以是单层，也可以是多层的，直径在几纳米到几十纳米之间，长度可达数微米，它的层片间距为0.34nm，比石墨的层片间距(0.335nm)稍大。碳纳米管具有巨大的比表面积、良好的导电性以及优良的化学稳定性，因此将碳纳米管用于制备双电层电容器成为一个研究的热点，但是碳纳米管超电容器的比容量较低。如张建宇、曾效舒、蔡结松等在《南昌大学学报(工科版)》上发表的《基于碳纳米管的双电层电容器》(2002年，24卷第3期，13-15页)，采用碳纳米管作为正负极活性物质，制备了基于碳纳米管的双电层电容器；再如张彬等在《电子学报》上发表的《双电层电容器碳纳米管固体极板的制备》(2000年，28卷第8期，13-15页)，采用碳纳米管作为正负极活性物质，制备了基于碳纳米管的-->双电层电容器，其比能量都较低。混杂型超电容器的正负电极材料不同，两个电极储存电荷的机理不同。如Jong Hyeok Park等在《Journal of Power Sources》上发表的《Hybrid electrochemical capacitors basedon polyaniline and activated carbon electrodes》(2002年，111卷，185-190页)，用聚苯胺作为正极活性材料、活性炭作为负极活性材料，6mol/L KOH水溶液作为电解液，Celgard3501作为隔膜。但是活性炭颗粒间的接触电阻比较大，尤其是活性炭颗粒较小时，活性炭颗粒间的接触电阻会非常大，这使得活性炭电导率不如碳纳米管高，不利于提高超电容器的比功率，而且活性炭的电化学稳定性也不如碳纳米管好，尤其是在施加高的操作电压时，活性炭容易发生副反应，生成二氧化碳等副产物，这对于提高超电容器的操作电压、比能量和循环稳定性都很不利。而碳纳米管的直径是纳米级的，这使得碳纳米管在更大的空间具有很高的比表面，碳纳米管的长度可以达到微米或者更长，具有很大的长径比，这使得碳纳米管具有很高的电导率，这有利于提高超电容器的比功率，而且碳纳米管具有比较稳定的结构，碳纳米管的电化学稳定性要优于活性炭，在施加高的操作电压时，不容易发生副反应。这些对于提高超电容器的比能量和循环稳定性都很有利。但是到目前为止，还没有用聚苯胺作为正极活性材料、碳纳米管作为负极材料组装成的混杂型超电容器。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种聚苯胺/碳纳米管混杂型超电容器，可以充分发挥正、负电极材料的潜力，形成协调和互补作用，从而可进一步提高超电容器的比能量、比功率等技术指标。本专利技术的技术方案如下：一种聚苯胺/碳纳米管混杂型超电容器，其结构依次含有正极电流收集体、正极、电解液及隔膜、负极和负极电流收集体，其特征在于：所述的正极采用聚苯胺或聚苯胺与碳材料组成的复合材料制成，所述的碳材料为碳纳米管、活性炭、碳纤维或乙炔黑中的一种或几种，其中碳材料的质量百分比含量小于30％；所述的负极采用碳纳米管或碳纳米管与活性炭、碳纤维或乙炔黑组成的混合材料制成，其中活性炭、碳纤维或乙炔黑的质量百分比含量小于30％。为了满足人们在不同条件下对超电容器的不同需求，使超电容器性能具有更优异性能，本专利技术中所用正极材料与负极材料的质量比范围为0.1～5，其优化质量比范围为0.2～2。本专利技术中所述电解液采用LiPF6(六氟磷酸锂)、LiBF4(四氟硼酸锂)、LiClO4(高氯酸锂)、LiCF3SO3(三氟磺酸锂)、(C2H5)4NPF6(六氟磷酸四乙基铵)、(C2H5)4NBF4(四氟硼酸四乙基铵)、(C2H5)4NClO4(高氯酸四乙基铵)、(C2H5)4NCF3SO3(三氟磺酸四乙基铵)、(C4H9)4NPF6(六氟磷酸四丁基铵)、(C4H9)4NBF4(四氟硼酸四丁基铵)、(C4H9)4NClO4(高氯酸四丁基铵)、(C4H9)4NCF3SO3(三氟磺酸四丁基铵)或它们的混合物为电解质，采用碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸丁烯酯、乙腈或它们的混合液为溶剂。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本专利技术采用以聚苯胺或以聚苯胺-->为主要成分的复合材料作为超电容器的正极活性材料，以碳纳米管或以碳纳米管为主要成分的复合材料作为超电容器的负极活性材料，充分利用了电极材料本身的特点，可以充分发挥正、负电极材料的潜力，形成协调和互补作用，从而形成具有高比容量、高比能量、高稳定性和长循环寿命的混杂型超电容器，不仅对提高超电容器的性能具有显著的突出性效果，而且其组成灵活多样，可以满足人们在不同条件下对电容器的不同需求。无论与碳纳米管超电容器相比，还是与聚苯胺超电容器相比，聚苯胺/碳纳米管混杂型超电容器都具有更高的比能量和比功率。如实施例1、对比实施例1和2所示，与碳纳米管超电容器相比，聚苯胺/碳纳米管混杂型超电容器的比能量提高了135％，平均比功率提高了7％；与聚苯胺超电容器相比，聚苯胺/碳纳米管混杂型超电容器的比能量提高了30％，平均比功率提高了100％。与贵金属氧化物超电容器相比，这种新型混杂型超电容器具有成本较低的优点。总之，聚苯胺/碳纳米管混杂型超电容器是一种成本低、性能优异的新型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚苯胺/碳纳米管混杂型超电容器，其结构依次含有正极电流收集体、正极、电解液及隔膜、负极和负极电流收集体，其特征在于：所述的正极采用聚苯胺或聚苯胺与碳材料组成的复合材料制成，所述的碳材料为碳纳米管、活性炭、碳纤维或乙炔黑中的一种或几种，其中碳材料的质量百分比含量小于30％；所述的负极采用碳纳米管或碳纳米管与活性炭、碳纤维或乙炔黑组成的混合材料制成，其中活性炭、碳纤维或乙炔黑的质量百分比含量小于30％。2.按照权利要求1所述的超电容器，其特征在于：所用正极材料与负极材料的质量比为0.1～5。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：周啸，杨红生，姜翠玲，于家宁，
申请(专利权)人：清华大学，湖南湘怡中元科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：