[发明专利]具有膨胀石墨/石墨烯/活性炭的超级电容器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超级电容器的制备方法，尤其涉及一种具有膨胀石墨/石墨烯/活性炭的超级电容器的制备方法。 

背景技术

电能储存装置是很多领域里重要的装置（元件），其重要特征包括能量密度、功率密度、最大充电率、内部泄漏电流、等效串联电阻和寿命(经受住多次充—放电循环的能力)等。超级电容器也称为双电层电容器、电化学电容器、超电容器、黄金电容、法拉电容，是一类重要的电能存储装置，具有高功率密度(在充电和放电模式中都如此)、接近于传统可再充电电池的能量密度，长寿命等特征，其实用性在许多能量储存应用中获得了人们的青睐。 

超级电容器主要由电极、电解液（电解质溶液）和隔离体组成。作为电能储存元件的电极和电极间的多孔隔离体浸入在电解液中，多孔隔离体允许离子流以两个方向流过电极之间的电解液。电解液和多孔隔离体可以确保电极彼此间不接触，避免电流直接在电极之间流动。双层电荷形成于固体电极和电解液之间的界面。 

当超级电容器的一对电极之间施加电势时，存在于电解液中的离子被吸引朝向带有相反电荷的电极表面，并向该电极迁移，保持在电极表面附近形成带相反电荷的离子层。该离子层起到了作为静电电容器的作用，电能主要被储存在这些离子层与相应电极表面的电荷之间的电荷隔离层中。同时，在由势能诱导的电场的影响下，静电电能也可以通过电解质溶液分子的定向及排列而储存在超级电容器中，但这种能量储存模式是次要的。 

与传统电容器相比，超级电容器具有高容积（重量）比电容，这是源于：（1）其电荷隔离层非常薄，它们的宽度达纳米级；（2）其电极可由大比表面积材料制成。因为电容与电极的面积成正比并与电荷隔离层的宽度成反比，所以超级电容器大的有效表面积和窄的电荷隔离层的组合效果使得其与相似大小和重量的传统电容器相比具有非常高的电容。超级电容器的高电容使得电容器能接收、储存，以及释放大量的电能。 

储存在电容器中的有效电能可以利用下式来确定： 

                    (1)

式（1）中，E表示存储的有效能量，C代表电容，V是带电电容器的电压，E_R是电容器内阻消耗的能量。因此，电容器能够储存的最大有效能量(E_m)可由下式给出：

                    (2)

式（2）中，V_r代表电容器的额定电压。该式表明，电容器的有效能量储存能力取决于它的电容、额定电压以及它的内阻，增大电容和额定电压，降低内阻对于提高电容器的有效储能性能是很重要的。

超级电容器的额定电压通常受限于电化学反应（例如还原反应和氧化反应）以及在电容电极之间引入电场时电解液中发生的分解。目前在超级电容器中使用的电解液有两种：（1）含水的电解质溶液，例如氢氧化钾和硫酸溶液；（2）有机电解液，例如碳酸丙烯(PC)溶液、乙腈(NA)溶液、液态盐（通常指的是离子液体）、某些液态晶体电解液，以及甚至为固态电解液。提高超级电容器的额定电压的有效途径之一就是提高电解液的实际分解电压。但目前使用有机电解液的超级电容电池为了达到商业上可接受的寿命（充一放电循环次数），通常被额定为2.3伏或低于2.3伏，电压每增加100毫伏就会导致电容器实际使用寿命减半，因此额定电压稍微大于2.3伏都很可能会使电容器寿命相当大地减少。另外，受氧化还原反应本身特征所限，通过电化学反应提高额定电压的方法也很难实现。 

决定电容器有效储能的另一个重要参数，电容C的表达式为： 

                             (3)

式(3)中C代表电容，ε是电解液介电常数，S为电极有效表面积，d为电极距离。可见，对于电极材料来说，电容器的电容主要取决于电极材料的有效表面积。

电容器内阻是影响电容器有效储能的另一个重要参数，在有机电解液和活性炭制造的超级电容电池中，电容器内阻消耗的能量占电容器总储能量的8.0%以上。 

发明内容

本发明的目的在于提供了一种具有膨胀石墨/石墨烯/活性炭的超级电容器的制备方法，该电容器具有高比电容、低内阻、低电容衰减的特征，该发明公开的活性电极可望应用于各种电能的存储，具有重要的工业应用价值。