一种活性溴离子增强的铜负极混合超级电容器制造技术

本发明专利技术涉及一种铜负极混合超级电容器，具体涉及一种活性溴离子增强的铜负极混合超级电容器。该铜负极混合超级电容器包括：以具有电池特性的金属铜或金属铜合金作为负极；以具有电容性能的碳材料、过渡金属氧化物、导电高分子聚合物中的至少一种作为正极；以含有溴离子和铜离子的电解质作为电解液，其中，所述电解液中溴离子的浓度为0.002mol～8mol/L，铜离子的浓度为0.001mol～4mol/L。本发明专利技术在铜负极混合超级电容器中添加活性溴离子，经过测试分析，证明了充放电过程中溴化亚铜的生成，并且溴化亚铜参与到负极的电化学储能，极大提高了器件的能量密度。器件的能量密度。器件的能量密度。

【技术实现步骤摘要】
一种活性溴离子增强的铜负极混合超级电容器


[0001]本专利技术涉及一种铜负极混合超级电容器，具体涉及一种活性溴离子增强的铜负极混合超级电容器，属于电化学储能器件的制备领域。

技术介绍

[0002]电化学储能器件作为一种能量转换与存储的装置，是未来智能电网的关键组成部分，可有效解决风能、太阳能及潮汐能等清洁能源在时域和空间域上的限制，能够促进电动汽车、手机、笔记本电脑等可移动设备的发展，因此，开发高性能的电化学储能器件是当前的研究热点。
[0003]超级电容器通过表面反应机制储能(电解液离子静电吸附于多孔碳表面，形成双电层)，不涉及电极材料的体相反应，可在数秒内完成充放电，具有功率密度高、循环稳定性好等优点，但是其能量密度相对较低，仅为锂离子电池的20％左右，限制了它的广泛应用。
[0004]铜负极的理论比容量达到844mAh/g，溶解沉积电位是0.143V，具有高度可逆的溶解沉积特性，是一种优异的负极储能材料。铜负极混合超级电容器结合了超级电容器高功率密度、铜负极高能量密度的优点，但是其能量密度仍然较低，不能满足实际应用的需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种活性溴离子增强的铜负极混合超级电容器，该铜负极混合超级电容器在电解液中添加活性溴离子，极大提高了器件的能量密度。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007]一种活性溴离子增强的铜负极混合超级电容器，该铜负极混合超级电容器包括：以具有电池特性的金属铜或金属铜合金作为负极；以具有电容性能的碳材料、过渡金属氧化物、导电高分子聚合物中的至少一种作为正极；以含有溴离子和铜离子的电解质作为电解液，其中，所述电解液中溴离子的浓度为0.002mol～8mol/L，铜离子的浓度为0.001mol～4mol/L。
[0008]在本专利技术中，活性溴离子增强铜负极混合超级电容器，在充放电过程中，在正极上面，电荷存储主要来源于双电层电容、O，N，P相关活性位点贡献的赝电容、活性溴离子氧化还原反应贡献的容量；在负极上面，电荷存储主要来源于铜离子的溶解沉积、活性溴离子与铜离子的氧化还原反应。活性溴离子增强铜负极混合超级电容器储能机理如反应方程(1)(2)(3)(4)所示，充电时，在正极附近，Br
‑
被氧化为Br2(反应方程1)，与Br
‑
结合生成稳定的Br3‑
(反应方程2)，吸附在多孔碳材料表面，在负极表面，Cu
2+
被还原为Cu，沉积在金属铜表面(反应方程3)，Cu
2+
被还原与Bt
‑
结合，生成CuBr，沉积在金属铜表面(反应方程4)。同时，充电时，离子在正极形成双电层，储存双电层容量和部分N、O、P产生的赝电容。
[0009]正极：
[0010][0011]负极：
[0012][0013]作为优选，所述负极的形貌为泡沫状或金属箔片状，优选为泡沫状。
[0014]作为优选，所述碳材料为多孔碳材料、活性炭、碳纳米管中的至少一种，优选为多孔碳材料。优选为比表面积较高的多孔片状碳材料(比表面积为1685m2/g)。
[0015]作为优选，正电极为多孔片状碳材料，其制备方法如下：将0.05mol的三聚氰胺加于150ml甲醇，80℃搅拌2h，然后向上述溶液中加入0.05mol浓磷酸(85％水溶液)，继续在80℃搅拌2h，将上述溶液放入80℃的烘箱中，24h后，将得到的固体研磨成为粉末，倒入磁舟中，然后放入管式炉中，在氮气的保护下，900℃处理2h，经过研磨后，得到作为正电极使用的多孔片状碳材料。
[0016]作为优选，所述电解液中溴离子的浓度为0.06～4mol/L，更优选为0.1～2mol/L。
[0017]作为优选，所述电解液中铜离子的浓度为0.03～2mol/L，更优选为0.05～1mol/L。
[0018]作为优选，当所述电解液为酸性水系电解液时，所述电解质为硝酸、硫酸、盐酸中的至少一种，优选地，所述电解质为硝酸，浓度为0.1～9mol；当所述电解液为中性水系电解液时，所述电解质为硝酸盐、硫酸盐、卤化盐中的至少一种，优选地，所述电解质为硝酸盐，浓度为0.2～8mol。
[0019]作为优选，所述铜负极混合超级电容器还包括位于正极和负极之间的隔膜，该隔膜的材料为玻璃纤维。
[0020]作为优选，所述铜负极混合超级电容器还包括用于装载正极、负极、电解液的壳体，优选为扣式电池壳、或柱状电池壳。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术在铜负极混合超级电容器中添加活性溴离子，相对于未添加溴离子器件的比容量0.449mAh/cm2(122.25mAh/g)，其比容量提高29倍，达到13.466mAh/cm2(3366.5mAh/g)，经过测试分析，证明了充放电过程中溴化亚铜的生成，并且溴化亚铜参与到负极的电化学储能，是一种新颖的电化学储能方式，本专利技术极大提高了器件的能量密度，具有商业化应用的潜力。
附图说明
[0022]图1为实施例1活性溴离子增强铜负极混合超级电容器的充放电示意图；
[0023]图2为实施例4和对比例1
‑
4的循环伏安图、充放电曲线图，其中(a)是实施例4和对比例1
‑
4的循环伏安图(5mV/s)，(b)是实施例4和对比例1
‑
4的充放电曲线图(8mA/cm2)；
[0024]图3为对比例1和实施例1
‑
6的充放电曲线图(8mA/cm2)，图中浓度示数为活性溴离子的浓度；
[0025]图4为实施例4中负极泡沫铜经过100圈(20mAh/cm2)充放电测试前后的扫描电镜和能谱图，其中，(a)
‑
(b)是测试前泡沫铜不同倍率下的扫描电镜图，(c)
‑
(e)是测试后泡沫铜在不同倍率下的扫描电镜图，右下角的两个图对应(e)图Cu、Br的能谱图；
[0026]图5为实施例4中负极泡沫铜经过100圈(20mAh/cm2)充放电测试后的X射线光电子能谱图，其中，(a)是泡沫铜表面cu元素的能谱图，从能谱图可以看出泡沫铜表面有Cu
+
和Cu
2+
，(b)是泡沫铜表面Br元素的能谱图，从能谱图可以看出泡沫铜表面有Br
‑
；
[0027]图6为实施例4中负极泡沫铜经过100圈(20mAh/cm2)充放电测试后的X射线衍射数
据。
具体实施方式
[0028]下面通过具体实施例，对本专利技术的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本专利技术的实施并不局限于下面的实施例，对本专利技术所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本专利技术保护范围。
[0029]在本专利技术中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种活性溴离子增强的铜负极混合超级电容器，其特征在于，该铜负极混合超级电容器包括：以具有电池特性的金属铜或金属铜合金作为负极；以具有电容性能的碳材料、过渡金属氧化物、导电高分子聚合物中的至少一种作为正极；以含有溴离子和铜离子的电解质作为电解液，其中，所述电解液中溴离子的浓度为0.002mol～8mol/L，铜离子的浓度为0.001mol～4mol/L。2.根据权利要求1所述的铜负极混合超级电容器，其特征在于，所述负极的形貌为泡沫状或金属箔片状。3.根据权利要求1所述的铜负极混合超级电容器，其特征在于，所述碳材料为多孔碳材料、活性炭、碳纳米管中的至少一种。4.根据权利要求1所述的铜负极混合超级电容器，其特征在于，所述电解液中溴离子的浓度为0.06～4mol/L。5.根据权利要求1所述的铜负极混合超级电容器，其特征在于，所述电解液中铜离子的浓度为0.03～2mol/L。6.根据权利要求1所述的铜...

【专利技术属性】
技术研发人员：王远，王燕刚，李溪，黄宏，潘虎，
申请(专利权)人：嘉兴学院，
类型：发明
国别省市：