用于宽频去耦超级电容器的复合碳基薄膜电极的制备方法技术

本发明专利技术为一种用于宽频去耦超级电容器的复合碳基薄膜电极的制备方法，首先制得铁镍油酸盐前驱体，利用铁镍油酸盐前驱体制得铁酸镍纳米粒子溶液；然后，向铁酸镍纳米粒子溶液中加入正己烷，得到铁酸镍纳米粒子分散液，铁酸镍纳米粒子分散液自组装形成铁酸镍纳米粒子薄膜，并将铁酸镍纳米粒子薄膜沉积到镍片表面；最后，将制得活性炭的正己烷分散液并滴加到铁酸镍纳米粒子薄膜上，镍片表面形成混合薄膜，将包覆有混合薄膜的镍片进行催化还原和化学气相沉积生长，在镍片表面形成复合碳基薄膜，即复合碳基薄膜电极。复合碳基薄膜为碳纳米洋葱、活性炭纳米颗粒和石墨烯薄膜三者形成的互联结构，基于复合碳基薄膜电极的超级电容器具有良好的去耦性能。器具有良好的去耦性能。器具有良好的去耦性能。

【技术实现步骤摘要】
用于宽频去耦超级电容器的复合碳基薄膜电极的制备方法


[0001]本专利技术属于超级电容器电极制备
，具体涉及一种复合碳基薄膜电极的制备方法，基于复合碳基薄膜电极制得的超级电容器在1～105Hz宽频范围内具有良好的去耦性能。

技术介绍

[0002]随着科技的发展和人类需求的提升，电子产品趋于高度集成化与微型化方向发展。电子电路中普遍存在电噪声，电噪声频率不恒定且不可控，会严重影响电子元件的工作稳定性。普遍利用去耦电容将在恒定电压上的电噪声去耦，因此去耦电容在电子电路中扮演着重要的角色。在数字集成电路中，输出电信号与输入电信号直接相关，且数字集成电路中只有0和1这两种状态，例如当输入高电平信号(如2V)时，数字集成电路的输出电信号为1，电路导通；但是，当该高电平信号由于电噪声扰动而产生压降时，会输入错误的低电平信号(如0.8V)，此时数字集成电路的输出电信号为0，会导致电路错误地被断开，由此可见输入电信号的微小扰动最终会导致数字集成电路的逻辑运算结果错误。而去耦电容可以利用隔直流、通交流的特性仅对电噪声扰动产生等效于导线的作用，经过类似短路处理将任意频率的电噪声及时去除，从而将扰动的电压信号净化为电压值恒定的直流电信号，进而保证数字集成电路逻辑运算结果的正确性和其他电子元件的工作稳定性。
[0003]目前，由于单个常规电容只能将较小的特定频段内的电噪声去耦，因此需要将多个不同种类和容值的电容并联成去耦模块，用于稳压线路，以去除较大频段内的电噪声。容值较大的电容适用于低频电噪声去耦，例如1000μF铝电解电容能够将10～4000Hz频段的电噪声去耦；容值较小的电容适用于中频电噪声去耦，例如47μF和7μF铝电解电容分别对约1k～20kHz和10k～50kHz频段的电噪声具有较好的去耦效果；高频电噪声需要容值更小的电容来去耦，例如1μF和0.1μF陶瓷电容分别用于约10kHz以上频段和100kHz以上频段的电噪声去耦。这些不同种类和容值的电容并联构成的去耦模块可以实现更宽频段内的电噪声去耦，例如7μF铝电解电容与1μF、0.1μF陶瓷电容并联构成的去耦模块能够将约1k～60k Hz范围内的电噪声去耦；1000μF、47μF铝电解电容与0.1μF陶瓷电容并联构成的去耦模块能够将约10～6000Hz范围内的电噪声去耦。由于铝电解电容本身体积较大，导致多个电容并联构成的去耦模块体积过大，严重限制了其与电路中其它电子元件的集成以及电子电路向高度集成化与微型化的发展。另外，铝电解电容的电极比电容很低，必须采用大面积电极箔片卷绕的组装方式才能保证足够的电容量，这会导致铝电解电容的体积较大和使铝电解电容产生较大的寄生电感，在处理高频电噪声时寄生电感产生的感抗会使自谐振频率降低，频率特性变差，甚至表现出类似电感的特性，导致电容失效。因此，开发一种体积小且能够有效应对大频段范围内任意频率电噪声的去耦电容器，有利于数字集成电路的未来发展，但是，目前以铝电解电容为代表的常规电容由于结构方面的局限性无法去除大频段范围内任意频率的电噪声。
[0004]不同频率条件下对去耦电容的性能要求不同，一方面，在低频条件下，电容需要足
够大的容值来储存多余电能和补充亏损的电能以维持电压的稳定；另一方面，在高频条件下，电容的频率特性更重要，这要求电容的自谐振频率大于电噪声频率，以防止电容因感抗过大而失效。超级电容器是一种介于常规电容器与电池之间的储能设备，利用电极材料与电解液界面形成的双电层进行电荷存储。不同于铝电解电容器，超级电容器本身具有高比容量，无需增大极板面积和采用卷曲的组装方式，因此超级电容器的寄生电感很低，且其具有高功率密度和超快充放电的优点，这使得超级电容器兼具了高比容量、体积小和优良的频率特性。另外，超级电容器在不同电流密度下具有倍率性能，这意味着其在不同频率电流下的容值不同，有望在宽频范围内达到去耦效果。因此，超级电容器有望替代体积大、结构复杂的去耦模块，发展在大频段范围内具有良好去耦特性的超级电容器对于未来集成电子设备小型化的发展具有重要意义。
[0005]保证超级电容器性能优异的关键在于电极材料，碳材料具有低内阻、高导电性、成本低、比表面积大等优点而被大量用作超级电容器电极材料。其中，活性炭比表面积大，可提供较大比容量，但其孔结构狭窄且复杂，离子迁移速率慢，频率响应性能较差，难以应对高频电噪声的去耦。另外，研究报道的垂直石墨烯和垂直定向碳纳米管，虽然具有较好的频率特性，但已有大量文献报道石墨烯的边缘结构存在异常磁性，这会在高频下凸显其寄生电感对频率响应的副作用，而垂直定向结构碳纳米管的制备工艺较为复杂，合成难度大，且碳纳米管与催化剂纳米颗粒的界面处存在石墨边缘，这也会带来异常磁性和寄生电感。
[0006]碳纳米洋葱，也称为洋葱状富勒烯，是碳纳米材料中的一种重要的纳米结构和同素异形体，它是一种由多个封闭的类似富勒烯的石墨壳层嵌套而成的纳米级球形结构。碳纳米洋葱具备较高导电性、较高比表面积、物理化学性能稳定及结构生长精确可控等优势，在高功率电化学储能应用中具有独有优势。碳纳米洋葱表面为高曲率石墨层结构，不同于活性炭颗粒内部弯曲复杂的微孔结构和石墨烯层与层之间堆叠形成的内部复杂孔道结构，碳纳米洋葱的表面和内部几乎无微孔结构，仅有颗粒之间形成的外嵌型浅孔和大孔结构，十分有利于电解液离子的快速吸脱附和传输。此外，碳纳米洋葱的球形石墨层结构不存在大量石墨层边缘或悬键，因而寄生电感低，是一种具有良好频率响应能力的电极材料。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种用于宽频去耦超级电容器的复合碳基薄膜电极的制备方法。
[0008]本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案如下：
[0009]一种用于宽频去耦超级电容器的复合碳基薄膜电极的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0010]步骤1、将2mmol六水合氯化镍、4mmol六水合氯化铁和16mmol油酸钠作为反应物，放入烧杯中混合均匀；将10mL去离子水、10mL乙醇和20mL正己烷作为溶剂加入烧杯中，在40～80℃的温度下加热回流2～6h，使反应物和溶剂充分反应，得到铁镍油酸盐悬浊液；
[0011]对铁镍油酸盐悬浊液进行清洗，将清洗后的铁镍油酸盐悬浊液在80～160℃的温度下干燥4～12小时，得到铁镍油酸盐前驱体；
[0012]步骤2、将步骤1得到的铁镍油酸盐前驱体放入反应容器中，加入1
‑
十八烯和油酸，1
‑
十八烯作为溶剂，油酸作为表面活性剂，铁镍油酸盐前驱体与溶剂和表面活性剂的体积
比为(5～10):(10～20):(0.5～2)，单位为mL；
[0013]将铁镍油酸盐前驱体、1
‑
十八烯和油酸搅拌均匀，在保护气环境中，首先将反应容器加热至120℃保温30min，再加热至220℃保温30min，最后加热至320℃保温40min，得到铁酸镍纳米粒子溶液；
[0014]步骤3、向铁酸镍纳米粒子溶液中加入乙醇并离心，分离上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于宽频去耦超级电容器的复合碳基薄膜电极的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、将2mmol六水合氯化镍、4mmol六水合氯化铁和16mmol油酸钠作为反应物，放入烧杯中混合均匀；将10mL去离子水、10mL乙醇和20mL正己烷作为溶剂加入烧杯中，在40～80℃的温度下加热回流2～6h，使反应物和溶剂充分反应，得到铁镍油酸盐悬浊液；对铁镍油酸盐悬浊液进行清洗，将清洗后的铁镍油酸盐悬浊液在80～160℃的温度下干燥4～12小时，得到铁镍油酸盐前驱体；步骤2、将步骤1得到的铁镍油酸盐前驱体放入反应容器中，加入1
‑
十八烯和油酸，1
‑
十八烯作为溶剂，油酸作为表面活性剂，铁镍油酸盐前驱体与溶剂和表面活性剂的体积比为(5～10):(10～20):(0.5～2)，单位为mL；将铁镍油酸盐前驱体、1
‑
十八烯和油酸搅拌均匀，在保护气环境中，首先将反应容器加热至120℃保温30min，再加热至220℃保温30min，最后加热至320℃保温40min，得到铁酸镍纳米粒子溶液；步骤3、向铁酸镍纳米粒子溶液中加入乙醇并离心，分离上清液；再加入正己烷和乙醇并离心，对铁酸镍纳米粒子溶液进行纯化处理，得到铁酸镍纳米胶体；将铁酸镍纳米胶体与正己烷混合，使铁酸镍纳米粒子分散在正己烷中，得到铁酸镍纳米粒子分散液；步骤4、对镍片进行酸蚀，酸蚀后的镍片进行清洗然后烘干；将烘干后的镍片浸没于二乙二醇中，然后向二乙二醇中滴加铁酸镍纳米粒子分散液，铁酸镍纳米粒子分散液在二乙二醇上表面自组装形成铁酸镍纳米粒子薄膜；将二乙二醇排出，使铁酸镍纳米粒子薄膜沉积到镍片表面；其中，滴加铁酸镍纳米粒子分散液的体积为400μL～1200μL，浓度为0.1～0.3mol/L；步骤5、将活性炭放入正...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晨光，赵青松，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：