通过使用具有导电碳网络（15）的纳米复合物电极提供高能量密度超级电容器，所述导电碳网络具有大于2000m2/g的表面面积和赝电容金属氧化物（16），诸如MnO2。导电碳网络（15）被合并到多孔金属氧化物结构中以引入足够的导电性，使得金属氧化物（16）的本体被用于电荷存储，和/或导电碳网络（15）的表面用金属氧化物布置，用以增加表面面积和在纳米复合物电极中的赝电容金属氧化物的量以用于电荷存储。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于具有高功率密度和高能量密度两者的超级电容器的氧化碳纳米复合物电极。
技术介绍
在过去二十年期间，存储电能的需求在便携式的、运输和负载调整和中央备份应用的领域中显著增加。现有电化学能量存储系统只是太昂贵以致不能渗透主要的新市场。 需要仍更高的性能，并且优选环境可接受的材料。在电能存储科学和技术中的转换改变被大量需求来以对于主要市场扩大必要的更低成本和更长寿命允许更高和更快的能量存储。 这些改变中的大多数需要新的材料和/或更大的氧化还原能力的示范方面的创新设想，该更大的氧化还原能力更加快速地和可逆地与阳离子和/或阴离子反应。电池组到目前为止是存储电能的最通常的形式，其范围从标准每天铅酸电池到在美国专利号4，078，125中由Brown教导的用于核潜艇的外来铁-银电池组、到在美国专利号6，399，247B1中由Kitayama教导的镍金属氢化物(NiMH)电池组、到在美国专利号 3，977，901 (Buzzelli)中和Isenberg在美国专利号4，054，729中教导的金属空气电池、以及到在美国专利号7，396，612B2中由Ohata教导的锂离子电池组。这些后面的金属空气、 镍金属氢化物和锂离子电池组电池需要液态电解质系统。电池组的范围在尺寸方面从在表中所使用的纽扣电池到百万瓦特负载调节应用。 电池组一般是有效的存储装置，具有通常超过输入能量的90%的输出能量，除了在最高能量密度时以外。可再充电的电池组多年来从铅酸通过镍镉和镍金属氢化物(NiMH)发展到了锂离子。NiMH电池组是用于诸如计算机和手机的电子设备的初始模块，但是它们几乎完全从那个市场被锂离子电池组取代，因为后者的较高能量存储容量。当今，MMH技术是在氢化物电动车辆中所使用的主要电池组，但是可能要被更高电能和现在更低成本锂电池组取代，如果后者的安全性和寿命能够被改善的话。在高级的电池组中，锂离子是用于大多可再充电的电子设备的占优势的电源。电池组、超级电容器和在较少的程度上燃料电池是用于能量存储的主要电化学装置。因为超级电容器一般显示高功率密度、长的寿命和快速的响应，所以超级电容器在能量存储领域起至关重要的作用。超级电容器对于其普遍应用的主要限制之一是其在与燃料电池和电池组相比时较慢的能量密度。因此，超级电容器的增加的能量密度已经是科学和工业界中的焦点。图1是具有多孔电极的现有超级电容器的示意图。多孔电极材料10被沉积在导电集流器11上，并且其孔用电解质12填充。两个电极被组装在一起并且利用通常由陶瓷和具有高介电常数的聚合物制成的分离器13分离。确定能量密度的因子在以下方程中展示KViJiAViU,其中 E=能量密度 C 电容 V 工作电压 ε 分离器的介电常数 A 电极的活性表面面积 d:电双层的厚度。因为超级电容器的能量密度部分地由其电极的活性表面面积决定，所以包括活性碳的高表面面积材料已经在电极中被采用。另外，已经发现，一些氧化物显示出赝电容特性，使得氧化物通过物理表面吸附和化学本体吸收存储电荷。因此，赝电容氧化物被积极地采用用于超级电容器。不幸地，氧化物显示出低导电性，使得所述氧化物必须由诸如活性碳的导电组件支撑。图2示出来自美国国防后勤局的明显图表，该图表图解现有技术高能量密度低功率密度燃料电池、铅酸、NiCd电池组、中间范围(mid-range)锂电池组、双层电容器、顶端高功率密度低能量密度超级电容器和铝电解电容器。图2示出它们在功率密度(w/kg)和能量密度(Wh/kg)方面的关系。作为14示出的超级电容器处于非常高的功率密度(W/kg)和中等能量密度(Wh/ kg)的独特位置。包含金属氧化物和含碳材料的超级电容器电极可以基于金属盐、水基、酒精相互作用通过将活性碳添加到沉淀的金属氢氧化物凝胶来制成，如由1997年的美国专利号 5，658，355 (Cottevieille等人)所教导的。整个被混合到添加有粘合剂的电极膏中。后来，Manthiram等人在美国专利号6，331，观2 Bl中通过将通过由用于电池组和超级电容器应用的碘化锂还原的高锰酸钠产生的碘氧化锰与诸如碳的导电材料混合来利用所述碘氧化锰。一组专利、即美国专利号6，339，528B1和6，616，875B1 (Lee等人两者)教导了高锰酸钾对碳或者活性碳的吸收并且与乙酸锰溶液混合来形成无定形氧化锰，该无定形氧化锰被研磨成粉末并且与粘合剂混合来提供具有适用于超级电容器的高电容的电极。美国专利号6，510，042B1 (Lee等人)教导了具有集流器的金属氧化物赝电容器，所述集流器包含导电材料和在集流器上涂布有导电聚合物的金属氧化物的活性材料。所需要的是利用新颖构造的新的和改进的超级电容器，该超级电容器具有与铅酸、NiCd和锂电池组一样好并且几乎类似于燃料电池的能量密度，同时具有类似于铝电解电容器的功率密度、周围环境温度运行、快速响应和长循环寿命。本专利技术的主要目标是提供供应上述需要的超级电容器。
技术实现思路
通过提供包括多孔氧化石墨烯纳米复合物电极的电化学存储装置来满足上面的需要和达到目标，所述多孔氧化石墨烯纳米复合物电极包括1)具有大于2000m2/g的表面面积的多孔导电石墨烯碳网络，和2)赝电容金属氧化物(诸如由网络支撑的MnO2)的涂层，其中网络和涂层形成多孔纳米复合物电极，如在图3中示意性图解的那样。图3示出包含赝电容氧化物16和孔隙17的电子导电网络15。在图4中，这些元件被分别示出为15’、16’ 和17，。石墨烯碳导电网络15’可以被合并到赝电容氧化物构架(skeleton) 18的孔隙中， 如在图4中示意性示出的那样。石墨烯碳导电网络15’的表面可以被涂布有相同的或不同的赝电容氧化物16’。所形成的复合物能够以物理方式和化学方式两者存储能量。石墨烯是密集地封装在蜂窝晶格中的碳原子20的平面板19，如随后在图6中所图解的那样，通常是一个碳原子厚。该平面板具有大于2000m2/g、优选地从大约2000m2/g至大约3000m2/g、通常2500m2/g至2000m2/g的及其高的表面面积并且比银更好地导电。MnA 由于用于能量存储的附加本体参与而具有高电容(Μη02+Κ+(钾离子)+e_=Mn00K)。石墨烯可以由活性碳、无定形碳和碳纳米管代替并且MnA可以由NiO、RuO2、SrO2、SrRuO3代替。在本专利技术中，新设计的纳米复合物电极通过直接支撑具有高表面面积石墨烯碳和 /或涂层的氧化物允许采用增加量的赝电容氧化物，使得石墨烯碳包含在赝电容构架的孔隙内或合并(“布置(decorate)”)到赝电容构架的孔隙中。石墨烯碳的表面面积通过给石墨烯碳涂布相同的或不同的赝电容氧化物而进一步增加。在此术语“纳米复合物电极，，被定义为意味着，至少各个组件之一具有小于100纳米(nm)的颗粒尺寸。电极多孔性范围从 30容积百分比至65容积百分比多孔的。优选地，两个纳米复合物电极被设备在分离器的每一侧，并且每个电极接触外部集流器。如在此所使用的术语“被布置”、“布置”是指被涂布 /包含在内或被合并到其中。附图说明为了更好地理解本专利技术，可以参照如在附图中所示的本专利技术示范性的优选实施例，其中图1是具有多孔电极的现有超级电容器的现有技术示意图2是图解范围本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：路春，K黄，RJ鲁卡，
申请(专利权)人：路春，K黄，RJ鲁卡，
类型：发明
国别省市：
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