一种超级电容器电极材料及其制备方法和超级电容器技术

本发明专利技术涉及电化学储能器件领域，具体涉及一种超级电容器电极材料及其制备方法和超级电容器。该超级电容器电极材料包括集流体和位于所述集流体表面的Co3S4层，所述Co3S4层制备时浆料中包括纳米花状的Co3S4材料。其制备方法，包括以下步骤：获得纳米花状的Co3S4材料；将Co3S4与粘结剂混合得到浆料并涂敷至集流体表面形成Co3S4层，得到超级电容器电极材料。通过将纳米花状的Co3S4材料以涂敷的方式形成超级电容器电极材料，在提高了器件的能量密度的同时保证了高功率性能，而且满足工业放大实验，便于工业化应用。便于工业化应用。便于工业化应用。

【技术实现步骤摘要】
一种超级电容器电极材料及其制备方法和超级电容器


[0001]本专利技术涉及电化学储能器件领域，具体涉及一种超级电容器电极材料及其制备方法和超级电容器。

技术介绍

[0002]目前，人们对新型能源的利用主要集中在风能、潮汐能、核能和太阳能等方面，这对储能系统具有一定的要求，例如要求储能期间具有稳定性好、效率高、功率高等优势。随着新能源汽车的迅猛发展，其动力系统对能量密度和功率的要求逐步提升。作为一种新型储能器件的超级电容器能够与锂二次电池协同，提供较高的功率，并且能够在动能回收期间快速充电，显著提高能量的利用率，延长纯电动汽车的续航。并且，超级电容器的温宽性能优秀，能够在低温下快速启动动力系统。
[0003]目前商用超级电容器主要以双电层电容为主，最常用的电极材料是活性炭、石墨等碳材料，且通常相同的正极材料和负极材料组成对称型超级电容器，储能机理主要是通过纯静电电荷在电极表面进行吸附来产生存储能量。该类型超级电容器拥有长寿命、功率密度高的特点，但是其能量密度低。若要满足汽车的一次启动和动能回收所需的一定容量，则商用超级电容器储能器件尺寸较大，导致商用超级电容器占用锂离子电池的模组空间，这对电动汽车的续航产生负面影响。

技术实现思路

[0004]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中双电层型超级电容器能量密度低，无法在提高能量密度的同时不损失功率性能，从而提供解决上述技术问题的一种超级电容器电极材料及其制备方法和超级电容器。
[0005]本专利技术技术方案：
[0006]一种超级电容器电极材料，包括集流体和位于所述集流体表面的Co3S4层，所述Co3S4层制备时浆料中包括纳米花状的Co3S4材料。
[0007]上述一种超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：获得纳米花状的Co3S4材料；将Co3S4材料与粘结剂混合得到浆料，将浆料涂敷至集流体表面形成Co3S4层，得到超级电容器电极材料。
[0008]所述获得纳米花状的Co3S4材料的步骤包括：获取衍生钴化合物ZIF
‑
67，将ZIF
‑
67和硫脲经水热反应得到纳米花状的Co3S4材料；
[0009]优选的，所述衍生钴化合物ZIF
‑
67的获取步骤为：将咪唑类有机配体、钴盐和溶剂混合反应获得，其中，所述咪唑类有机配体与钴盐的摩尔比为25
‑
28:1；所述ZIF
‑
67与硫脲的质量比为0.6
‑
0.9:1。
[0010]所述水热反应的温度为100℃
‑
140℃。
[0011]所述水热反应的时间为4
‑
8小时。
[0012]制备所述ZIF
‑
67的步骤为：将咪唑类有机配体溶液与钴盐溶液混合、静置反应得
到ZIF
‑
67；静置反应温度为20
‑
35℃；静置反应时间为12
‑
36h；咪唑类有机配体溶液由溶剂和咪唑类有机配体配置形成，浓度为0.1
‑
0.15g/mL；所述钴盐溶液由钴盐和溶剂组成，浓度为0.05
‑
0.10g/mL。
[0013]还包括将反应得到的ZIF
‑
67溶液离心、分离得到沉淀，对沉淀进行洗涤、干燥，得到ZIF
‑
67粉末的步骤；所述干燥为真空干燥，干燥温度为50
‑
80℃，干燥时间为12
‑
24小时。
[0014]所述咪唑类有机配体为2
‑
甲基咪唑。
[0015]所述钴盐选自硝酸钴、氯化钴、硫酸钴中任一种或几种的组合。
[0016]所述溶剂选自甲醇、乙醇、去离子水中任一种或几种的组合。
[0017]形成所述浆料的步骤包括：将Co3S4材料与粘结剂和导电剂共混合得到浆料。
[0018]优选的，在浆料中所述Co3S4材料的质量占比为90
‑
94％，粘结剂质量占比为2
‑
4％，导电剂质量占比为4
‑
6％。
[0019]优选的，所述导电剂选自导电炭黑、碳纳米管、导电石墨、石墨烯中任一种或几种。
[0020]优选的，所述粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯中任一种或几种的组合。
[0021]在所述集流体表面涂敷的浆料厚度为80
‑
100μm。
[0022]所述集流体选自泡沫镍或泡沫铜。
[0023]一种超级电容器，包括所述的一种超级电容器电极材料。
[0024]所述电容器为非对称电容器，包括正极材料和负极材料；
[0025]所述正极材料为所述的一种超级电容器电极材料；
[0026]所述负极材料包括集流体和在所述集流体表面的石墨层。
[0027]优选的，所述石墨层制备时浆料中主要成分为石墨，还包括粘结剂和导电剂，质量比为石墨：粘结剂：导电剂＝8:1:1；所述导电剂为导电炭黑。
[0028]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0029]1、现有技术制备含Co3S4的超级电容器电极材料时，通常采用电沉积法或原位法在集流体表面沉积Co3S4材料，仅限于实验室小范围制作，无法工业化放大实验；而且所合成的Co3S4材料的形貌通常是二维纳米片状结构，对器件的能量密度的提高幅度有限。
[0030]本专利技术提出的一种超级电容器电极材料，集流体表面具有含纳米花状Co3S4材料的Co3S4层。其通过首先合成纳米花状的Co3S4材料，然后将纳米花状的Co3S4材料形成浆料后以涂敷的方式集成到集流体表面而制备，不仅提高了器件的能量密度的同时保证了高功率性能。这是因为Co3S4材料为纳米花结构(确切说是团簇花)，由于该特殊形貌的Co3S4材料更有利于电解质溶质的扩散，使得该电极材料(无需复合其它材料)可达到高比容量，从而具有该电极材料的电容器既能提高能量密度，也不会损失功率性能。而且，正是由于这种先合成纳米花结构Co3S4材料，再将其涂敷至集流体上的两步方法，才能够在集流体表面得到纳米花结构的Co3S4层，提高了器件的能量密度的同时保证了高功率性能，而且满足工业放大实验，便于工业化应用。
[0031]该特殊形貌的Co3S4材料在电解液中能够在表面以及近表面与电解液溶质发生快速可逆的氧化还原反应，通过电荷转移达到提高超级电容器能量密度的目的。并且，该反应在电极/电解液界面发生，且高度可逆，拥有反应速率高的特点，因此，在提高了器件的能量密度的同时，保证了功率性能。
[0032]2、该方法通过进一步控制纳米模板ZIF
‑
67的反应原料比例、硫源的种类(为硫
脲)、纳米模板与硫源的比例和水热温度等重要参数，从而通过一种比较温和的反应方式合成出呈纳米花状的Co3S4粉末、且形成纳米化状Co3S4材料的纳米片厚度均一、呈三维层状相互交联。
[0033本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超级电容器电极材料，其特征在于，包括集流体和位于所述集流体表面的Co3S4层，所述Co3S4层制备时浆料中包括纳米花状的Co3S4材料。2.权利要求1所述一种超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：获得纳米花状的Co3S4材料；将Co3S4材料与粘结剂混合得到浆料，将浆料涂敷至集流体表面形成Co3S4层，得到超级电容器电极材料。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获得纳米花状的Co3S4材料的步骤包括：获取衍生钴化合物ZIF
‑
67；将ZIF
‑
67和硫脲经水热反应得到纳米花状的Co3S4材料；优选的，所述衍生钴化合物ZIF
‑
67的获取步骤为：将咪唑类有机配体、钴盐和溶剂混合反应获得，其中，所述咪唑类有机配体与钴盐的摩尔比为25
‑
28:1；优选的，所述ZIF
‑
67与硫脲的质量比为0.6
‑
0.9:1。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述水热反应的温度为100℃
‑
140℃；和/或，所述水热反应的时间为4
‑
8小时。5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述咪唑类有机配体为2
‑
甲基咪唑；和/...

【专利技术属性】
技术研发人员：石中玉，苏树发，吴江雪，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：