[发明专利]一种非对称型电化学电容器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学电容器领域，特别涉及一种非对称型电化学电容器及其制备方法。

背景技术

电化学电容器又称为超级电容器，为一种介于电容器和电池之间的新型储能器件。与传统的电容器相比，电化学电容器具有更高的比容量，与电池相比，具有更高的比功率，可瞬间释放大电流，具有充电时间短，充电效率高，循环使用寿命长，无记忆效应和基本免维护等优点。因此电化学电容器在移动通讯、消费电子、电动交通工具及航空航天等领域具有很大的潜在应用价值。

目前电化学电容器的电极材料主要分为三类：金属氧化物、导电聚合物和杂化材料。其中，具有价廉、环境友好及高的理论电容值等优点的MnO₂在提高电容器的能量密度方面有很好的前景，因此引起了人们很大的关注。然而MnO₂较差的导电性（10^-5～10^-6S/cm）使其在高功率设备中充放电速率较低。为了提高其导电性，人们利用了碳材料（如：泡沫碳、碳纳米管及石墨烯）和纳米MnO₂进行复合，但是碳和MnO₂的复合材料只有在水溶液电解质中才表现出理想的电容性质，而水溶液中电容器的窗口电位比有机电解质的小很多，这大大限制了能量密度的提高。为了解决这个问题，研究人员利用非对称型电极材料构造电化学电容器，即正负极由不同的电极材料构成的电容器可通用两种材料互不重叠的窗口电势获得较高的工作电压，从而增大其能量密度。获得高能量密度和功率密度的非对称型电化学电容器的关键问题是得到合适的法拉第电极材料（特别是含碳的纳米材料）用作正极，得到合适的负极材料（通常采用碳材料）。含碳非对称超级电容器出色的前景非常诱人，但是现在的相关电极材料的合成制备方法相当耗时、耗钱、污染环境，这些方法的缺陷大大限制了非对称型电化学电容器的实际应用。因此，迫切需要寻求价廉且环保的电极材料，并采用简易、环保的方法来制备具有高能量密度和功率密度的电极材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供了一种廉价易得的非对称型电化学电容器，及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明首先提出了一种非对称型电化学电容器，其包括：

正极、负极、电解液、隔膜及集电器，所述正极的材料为p-BCMnO₂，所述负极的材料为p-BC/N，其中p-BC为热解后的细菌纤维素。

优选地，所述电解液为Na₂SO₄溶液，所述隔膜为醋酸纤维素膜，所述集电器为镍片。

本发明进一步提出了制备上述非对称型电化学电容器的方法，其包括以下步骤：

步骤a）制备正极材料：将热解后的细菌纤维素置于KMnO₄和K₂SO₄的混合溶液中振荡反应一段时间，得到正极材料p-BCMnO₂；

步骤b）制备负极材料：将热解后的细菌纤维素置于尿素溶液中恒温反应一段时间，得到负极材料p-BC/N；

步骤c）组装正极和负极：正极材料p-BCMnO₂和负极材料p-BC/N中间用隔膜隔开，注入电解液，并在正负极材料外侧加上集电器，即得到非对称型电化学电容器。

优选地，所述步骤a）和所述步骤b）中热解后的细菌纤维素的制备过程具体为：

将细菌纤维素用液氮冷冻后在冷冻干燥机中冻干，再在惰性气氛下热解。

更优选地，所述冷冻时间为1h～2h，所述冻干时间为3d～6d，冻干压力为0.02mbar～0.06mbar，热解温度为800℃～1200℃，热解时间为1h～3h。

优选地，所述步骤a）混合溶液中的KMnO₄和K₂SO₄的物质的量的比为0.8～1.2:0.8～1.2，KMnO₄的浓度为0.05mol/L～0.5mol/L，热解后的细菌纤维素与混合溶液的质量体积比为1～15:20～50，其中热解后的细菌纤维素质量的单位为mg，混合溶液体积的单位为ml。

优选地，所述步骤a）中振荡反应时间为0.5h～2.5h，温度为20℃～60℃，转速为50rpm～300rpm。

优选地，所述步骤b）中尿素溶液的浓度为3mol/L～6mol/L，热解后的细菌纤维素与尿素溶液的质量体积比为1～20:10～80，其中热解后的细菌纤维素的质量的单位为mg，尿素溶液体积的单位为ml。