胶体电极及其制备方法和超级电容电池技术

本申请涉及储能材料技术领域，尤其涉及一种胶体电极及其制备方法和超级电容电池。该胶体电极包括集流体和设于集流体表面的胶体材料层，胶体材料层包括过渡金属盐、导电碳材料和粘结剂；其中，导电碳材料之间形成有活性胶体离子。本申请的胶体电极中，过渡金属盐、导电碳材料和粘结剂形成一个三维导电骨架结构的胶体材料体系，具有快速的离子扩散通道，从而使得导电碳材料之间的活性胶体离子扩散快速，在热力学、动力学允许条件下实现最大化利用氧化还原活性阳离子，因此可以充分利用过渡金属盐的多价态金属阳离子的多电子氧化还原反应，充分释放储存的潜在电能；这样的胶体电极可以形成兼具高功率密度与高能量密度的储能器件如超级电容电池。如超级电容电池。如超级电容电池。

【技术实现步骤摘要】
胶体电极及其制备方法和超级电容电池


[0001]本申请属于储能材料
，尤其涉及一种胶体电极及其制备方法和超级电容电池。

技术介绍

[0002]能源问题是人类长期面临的主要挑战之一，能源材料是当前最具决定性影响的
之一，开发新型能源材料、设计和制备相关器件已成为重要研究方向。二次电池(Rechargeable battery)和超级电容器(Super capacitors)是目前常用的储能器件；其中，二次电池(如锂离子电池、钠离子电池和金属
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空气电池等)具有较高的能量密度、但功率密度较低的特点，而超级电容器具有较高的功率密度、但能量密度较低的特点。一般情况下，高能量密度和高功率密度对于储能器件是矛盾的，如锂电池能量密度高、但功率密度低，超级电容器正好相反；因此，兼具高功率密度与高能量密度的储电技术是电化学储能领域的终极目标。
[0003]超级电容器的全称是电化学超级电容器，包括双电层型和赝电容型。双电层型超级电容器是利用电极/电解液界面电荷分离所形成的双电层实现储能，而赝电容型超级电容器借助电极表面快速的氧化还原反应所产生的法拉第“准电容”来实现能量储存。赝电容型超级电容器普遍比双电层型具有高的能量密度。
[0004]国内超级电容器的发展主要侧重于对已有材料体系的改进以及器件研发，而国外主要侧重于新材料体系开发与基于应用的器件开发。虽然目前这些设计能不同程度提高其性能，但依然不能完全释放电极材料的储电潜力。赝电容和电池型材料的电荷存储机制主要是基于阳离子氧化还原化学，虽然这一机理已被人们熟知，但是阳离子的利用率仍然不足。这主要是因为目前的设计没有从本质上改变电化学储能反应的热力学和动力学。

技术实现思路

[0005]本申请的目的在于提供一种胶体电极及其制备方法和超级电容电池，旨在解决的技术问题是如何提高电极材料阳离子利用率以形成兼具高功率密度与高能量密度的储能器件。
[0006]为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：
[0007]第一方面，本申请提供一种胶体电极，包括集流体和设于所述集流体表面的胶体材料层，所述胶体材料层包括过渡金属盐、导电碳材料和粘结剂；其中，所述导电碳材料之间形成有活性胶体离子。
[0008]本申请提供一种胶体电极，其集流体表面设置的活性材料层是一种胶体材料层，该胶体材料层中的过渡金属盐、导电碳材料和粘结剂形成一个三维导电骨架结构的胶体材料体系，具有快速的离子扩散通道，从而使得导电碳材料之间的活性胶体离子扩散快速，在热力学、动力学允许条件下实现最大化利用氧化还原活性阳离子，因此可以充分利用过渡金属盐的多价态金属阳离子的多电子氧化还原反应，充分释放储存的潜在电能；这样的胶
体电极形成兼具高功率密度与高能量密度的储能器件如超级电容电池，因此，具有很好的应用前景。
[0009]第二方面，本申请提供一种上述胶体电极的制备方法，包括如下步骤：
[0010]配制含有所述过渡金属盐、所述导电碳材料和所述粘结剂的电极料浆；
[0011]将所述电极浆料涂覆在所述集流体上，进行干燥处理，然后经充放电形成所述胶体材料层。
[0012]本申请提供一种胶体电极的制备方法，其将配制的含过渡金属盐、导电碳材料和粘结剂的电极料浆涂覆在集流体上，然后干燥经充放电，过渡金属盐
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导电碳
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粘结剂混合形成具有三维导电骨架结构的胶体材料体系，这样得到的活性材料层具有快速的离子扩散通道，可以充分利用过渡金属盐的多价态金属阳离子的多电子氧化还原反应，充分释放储存的潜在电能。因此，本申请的制备方法得到的胶体电极可以用于组装兼具高功率密度与高能量密度的储能器件如超级电容电池，因此，具有很好的应用前景。
[0013]第三方面，本申请提供一种超级电容电池，包括正极、负极以及位于所述正极与所述负极之间的隔膜和电解液，所述正极为本申请所述的胶体电极和/或本申请所述的胶体电极的制备方法制备得到的胶体电极；和/或，
[0014]所述负极为本申请所述的胶体电极和/或本申请所述的胶体电极的制备方法制备得到的胶体电极。
[0015]本申请提供的超级电容电池融合二次电池和超级电容器的优势，其中电极是使用一种构筑具有电活性胶体离子的胶体电极，具有快速的离子扩散通道，可以实现最大化利用氧化还原活性阳离子，充分利用过渡金属盐的多价态金属阳离子的多电子氧化还原反应，充分释放储存的潜在电能；因此，该超级电容电池的胶体电极兼具高功率密度与高能量密度。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1是本申请实施例提供的胶体电极中活性胶体离子的分布示意图；
[0018]图2是本申请实施例提供的胶体电极的制备方法流程示意图；
[0019]图3是本申请实施例提供的胶体电极的照片；
[0020]图4是本申请实施例提供的超级电容电池的能量密度
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功率密度图；
[0021]图5是本申请实施例提供的超级电容电池的容量图。
具体实施方式
[0022]为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0023]本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例
如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0024]本申请中，“至少一种”是指一种或者多种，“多种”是指两种或两种以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。
[0025]应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
[0026]在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
[0027]本申请实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本申请实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请实施例说明书公开的范围之内。具体地，本申请实施例说明书中所述的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种胶体电极，其特征在于，包括集流体和设于所述集流体表面的胶体材料层，所述胶体材料层包括过渡金属盐、导电碳材料和粘结剂；其中，所述导电碳材料之间形成有活性胶体离子。2.如权利要求1所述的胶体电极，其特征在于，所述过渡金属盐、所述导电碳材料和所述粘结剂混合构建成3D结构，所述过渡金属盐分散在所述导电碳材料之间，所述过渡金属盐的过渡金属离子形成所述活性胶体离子。3.如权利要求1所述的胶体电极，其特征在于，所述过渡金属盐、所述导电碳材料和所述粘结剂的质量比为(6～8)：(1～3)：1。4.如权利要求1
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3任一项所述的胶体电极，其特征在于，所述导电碳材料选自石墨、石墨烯、碳黑、介孔碳、碳纳米管和碳纳米纤维中的至少一种；和/或，所述粘结剂选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、海藻酸钠和聚氨酯中的至少一种；和/或，所述过渡金属盐选自过渡金属氯化物和过渡金属硝酸盐中的至少一种。5.如权利要求1
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3任一项所述的胶体电极，其特征在于，所述胶体电极为正极，所述集流体为正极集流体；或者，所述胶体电极为负极，所述集流体为负极集流体。6.一种如权利要求1
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4任一项所述的胶体电极的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛冬峰，陈昆峰，王晓明，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：