一种电容器的电极及其制备方法技术

一种电容器的电极及其制备方法，涉及一种基于聚苯胺/定向碳纳米管复合材料的混合型超级电容器电极及其制备方法。其特征在于所述电极由导电基体材料与聚苯胺/定向碳纳米管复合材料组成，聚苯胺/定向碳纳米管复合材料直接生长在导电基体材料的一面或两面上。制备过程通过对反应气、导电基体材料的选择及化学气相沉积工艺的控制，在导电基体上直接生长定向碳纳米管，然后将其在配制的盐酸苯胺的硫酸溶液中电化学沉积，制备出功率密度大、倍率性能好、能量密度高、使用寿命长的超级电容器用聚苯胺/定向碳纳米管复合电极。具有制备工艺简单、成本低廉、易于大规模生产等特点。

【技术实现步骤摘要】

，涉及一种基于聚苯胺/定向碳纳米管复合材料的混合型超级电容器电极及其制备方法。
技术介绍
超级电容器是近些年来发展迅速的新型绿色储能器件，它具有快速充放电特性， 功率密度是普通电池的几十倍甚至几百倍。另外，循环寿命长，充放电循环次数可达100000 次，是普通电池的几百倍甚至几千倍。但是，超级电容器作为电源或储能装置也存在致命的弱点，即在目前的技术水平下尽管其能量密度是常规电容器的100倍以上，但依然显著低于二次电池(约为锂离子电池的1/10)。如何进一步提高超级电容器的比功率和比能量，是超级电容器研发与产业发展中亟待解决的关键问题。超级电容器按储能原理不同可分为双电层电容器和赝电容器或者氧化还原电容器，双电层电容器靠电极和电解液界面的双电层来储存电荷，其电极材料主要为高比表面积的炭材料。赝电容器靠电极活性物质发生快速可逆的氧化还原反应来储存电荷，对应的电极材料有金属氧化物和导电聚合物，该类电容的储能机制(电荷分离和法拉第过程)与双电层电容不同，通常具有更大的比容量。双电层电容器所使用的炭类电极材料主要包括活性炭、炭纤维、炭气凝胶、碳纳米管等。在这些材料当中，碳纳米管由于具有高的导电性、好的力学性能、高温稳定性能、孔径分布集中在一定范围内(且孔径大小可控)和表面可官能团化(表面特性易控)的优点，成为超级电容器的理想电极材料。但是由于碳纳米管的比表面积较低，致使其比容量也较低，相对赝电容材料低的比容量成为制约其作为超级电容器电极材料产业化发展的瓶颈。金属氧化物赝电容电极材料，主要包括Ru02、MnO2, NiO等，具有较高的比电容量， 但金属氧化物类超级电容器普遍存在电位窗口窄，成本价格高的问题限制了其产业化的利用。相对而言，导电聚合物电极材料，价格低廉，通过利用其掺杂一去掺杂电荷的能力，在整个三维立体结构内发生的快速可逆法拉第赝电容反应而储存能量，因而其比电容远高于仅靠电极/电解液的界面双电层储能的炭材料，是当今超级电容器电极材料研发的热点。导电聚合物电极材料主要有聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。其中，聚苯胺具有原料易得、合成简便、成本低廉、电性能优异及高分子结构可设计等优点，因而是一种极具发展潜力的高比能超级电容器电极材料。但导电聚合物普遍存在力学性能、导电性能差的缺点，限制了其循环稳定性和比容量的发挥，因此改善和提高其力学性能及导电性能成为其实用化的关键因ο研究表明，采用碳纳米管/导电聚合物复合材料的超级电容器可以同时发挥双电层电容和赝电容，不仅更好的提高了超级电容器的比电容量和比能量而且具有更好的循环性能，成为关注的热点。然而许多研究者将导电聚合物包覆在碳纳米管(粉末)表面，结合粘接剂混合后再涂覆到金属集流体上，如《碳纳米管复合电极超大容量电容器及其制造方法》(申请号02133455. 2)专利中公开了利用碳纳米管与导电聚合物复合作为电容器电极3材料的制备方法，但该方法工艺复杂，而且需要制浆和涂覆设备，增加了电极制备的成本； 同时粘接剂的使用也会降低材料的导电性。另外，由于导电聚合物分散性能差以及碳纳米管(粉末)的团聚现象导致材料的比容量及能量密度等电化学性能并不理想，如《用于超级电容器的碳纳米管-聚苯胺复合材料的制备方法》(申请号200610019322. 6)专利中公开的聚苯胺与碳纳米管的复合材料存在比容量低的问题。专利《一种阵列基复合电极》(申请号200820136765.8)中公开了一种在导电性基体上制备具有一维阵列结构的定向碳纳米管，与金属氧化物材料复合后的阵列电极，具有高比容量和高比功率的优良特性，但该专利并未公布复合电极的制备方法，并且阵列电极需要粘贴到导电材料基体上，因此造成电极材料的功率密度尚欠理想。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种工艺、设备简单，功率密度大、倍率性能好、能量密度高及使用寿命长的电容器的电极及其制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种电容器的电极，其特征在于所述电极由导电基体材料与聚苯胺/定向碳纳米管复合材料组成，聚苯胺/定向碳纳米管复合材料直接生长在导电基体材料的一面或两面上。本专利技术的一种电容器的电极，其特征在于所述的聚苯胺/定向碳纳米管复合材料是由长度为20-150 ym，直径为1-50 nm的单壁或多壁定向碳纳米管以及包覆在碳纳米管外的厚度不大于30 nm的聚苯胺膜组成。本专利技术的一种电容器的电极，其特征在于所述的导电基体材料为Al、Cu、Ti、Mg、 Ni、Ta、Pt、不锈钢、中间相微球、石墨、膨胀石墨等金属或非金属的板、箔、网、颗粒或泡沫状材料。本专利技术的一种电容器的电极，其特征在于所述的聚苯胺/定向碳纳米管复合电极材料中，聚苯胺占复合电极材料总质量的10%-80%。本专利技术的一种电容器的电极，其特征在于所述的聚苯胺/定向碳纳米管复合电极材料中，聚苯胺占复合电极材料总质量的50%-60%。一种电容器的电极制备方法，其特征在于制备过程的步骤包括1)将导电基体材料与催化剂二茂铁先后放入化学气相沉积系统的石英管中，其中导电基体材料位于石英管的高温反应区，催化剂二茂铁位于石英管进气端的低温区。向石英管中通入200 mL/min的Ar和H2的混合气体30 min中后，将反应区温度加热到500-900 °C， 石英管进气端的温度控制在200-400 °C。调整进气速率，按20 mL/min,20 mL/min和160 mL/min的进气速率分别通入反应气、H2和Ar的混合气体，反应20-60 min后，停止反应气的供应，将石英管在保护性气氛下冷却到室温，在导电基体材料上即获得长度为20-150 ym, 直径为1-50 nm的单壁或多壁定向碳纳米管；2)将步骤1)获得的表面生长定向碳纳米管阵列的导电基体作为工作电极，不锈钢或钛为辅助电极，Ag/AgCl电极为参比电极，选用定向碳纳米管质量100-300倍配制的盐酸苯胺的硫酸溶液作为电解质。采用电化学循环伏安的方法，对单体进行原位聚合，使聚合物沉积到定向碳纳米管的表面，聚苯胺沉积膜的厚度不大于30 nm，然后用蒸馏水冲洗，60 °C真空干燥12 h后在导电基体上得到聚苯胺/定向碳纳米管复合材料。本专利技术的一种电容器电极的制备方法，其特征在于步骤1)中所述化学气相沉积的导电基体材料为Al、Cu、Ti、Mg、Ni、Ta、Pt、不锈钢、中间相微球、石墨、膨胀石墨等金属或非金属的板、箔、网、颗粒或泡沫状材料。本专利技术的一种超级电容器电极的制备方法，其特征在于步骤1)中所述化学气相沉积的反应气为天然气、乙烯、丙烯、乙炔、二甲苯等的一种或多种。本专利技术的一种电容器电极的制备方法，其特征在于步骤2)中所述盐酸苯胺在硫酸电解质溶液的摩尔浓度为0.01-0. 5 mol/L，其中电解质溶液中溶液的浓度为0. 1-2 mol/L0本专利技术的一种电容器电极的制备方法，其特征在于步骤2)中所述的采用循环伏安法进行沉积，工作电极与辅助电极之间的电压为-0.2、. 8 V，扫描速率为50 mV/s，循环次数为10-150次。本专利技术的一种电容器电极的制备方法，其特征在于步骤2)中所述的聚苯胺/定向碳纳米管复合电极材料中，聚苯胺占复合电极材料总质量的10%-80%。本专利技术的的优点在于1.通过化学气相沉积法在导电本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种电容器的电极，其特征在于所述电极由导电基体材料与聚苯胺／定向碳纳米管复合材料组成，聚苯胺／定向碳纳米管复合材料直接生长在导电基体材料的一面或两面上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈德，杨建红，高宏权，康乐，
申请(专利权)人：中国铝业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：11