[发明专利]使用镍铝水滑石纳米材料作为正极材料的超级电容器

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器领域，具体涉及一种使用镍铝水滑石纳米材料作为正极材料的超级电容器。

背景技术

随着电子产品和移动装备的发展升级，作为能源供给的核心部件-电池的短板效应越来越明显，目前使用电池的能量密度不足制约了便携式电子产品的续航能力，如手机、平板、导航设备和游戏机等；功率密度不足制约了功率性电子产品的使用，如电动汽车、电动自行车等；现有电池充电速度太慢已使各类电子产品和移动装备的使用范围大大减小，并严重阻碍了其进一步发展。开发具有高能量密度、高功率密度、能够快速充电的储能器件有着极其重要的意义。目前世界各国都在积极努力的研发储能器器件新技术，超级电容器的研究就是其中最重要的研究方向之一，具有重要的战略意义。

超级电容器在军事上可以广泛应用于单兵备用电源、电动武器装备、激光武器、导弹、装甲车、坦克、移动式军用无线通信设备、干扰机、移动式雷达、无人机、卫星、移动式指挥所等领域；在民用领域，如电动汽车、电动自行车、工业和商业运输机械等。超级电容器是未来电子产品和电动装置的最动力核心部件，对于我国国防和工业实力有基础提升力。目前我国也积极的进行超级电容器的研发，和发达国家相比，我国的研究水平差距不大，如果继续加大这方面的投入，将来有更多的机会占领未来能源存储行业的领地，对于我国的综合实力的提高有着十分重要的意义。

现在在军事装备和民用电动汽车、电动自行车等需要大功率的设备上使用的电池主要为铅蓄电池和锂离子电池。铅蓄电池虽然存在的历史非常长，但已不能满足未来的发展需求，其生产过程中使用铅等重金属会造成环境污染，而且铅蓄电池能量密度比较低，循环寿命短也是非常明显的缺点，特别地其充电时间太长已经无法满足军事上和现代战争的需求。锂离子电池近十年渐渐成为主流蓄电池，其能量密度较高，但其功率密度较低，在武器装备、汽车和电动运输工具等大功率设备上使用非常复杂，维护也有诸多问题，而且其循环寿命也相对较短的致命缺点，特别是受到外界大压力冲击时会爆炸、充电时间太长已经无法满足武器装备和现代战争的要求，也难于满足现在和将来民用产品对电能源供给的基本要求。超级电容器具有充电速度超快、功率密度非常高和安全环保等独特优势，可以非常有效克服以上电池的不足，具有高能量密度和功率密度，循环寿命较长，在大功率武器装备、单兵设备、武器单元和民用相应设备上的应用有着非常明显的优势。

但目前超级电容器的面临能量密度太低的问题，要得到能和锂离子电池相比较高的能量密度对于超级电容器在国防装备和民用电子产品的应用有十分重要的作用。超级电容器目前的重点研究领域是正极材料，正极材料在导电性，容量和放电电位方面对超级电容器整个器件性能具有决定作用，提高正极材料的性能有助于提高超级电容器整体的性能。

超级电容器分为双电层电容器和赝电容电容器（又称法拉电容器）。双电层电容器是利用电极和电解质之间形成的界面双电层电容来存储能量，其电极通常采用高比表面积的碳材料，它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近；而法拉第电容器是利用快速、高度可逆的化学吸附/脱附和氧化/还原反应，从而产生比双电层电容更高的比容量，其电极材料主要是过渡金属氧化物和导电聚合物等材料。法拉第电容器可以实现较高的存储密度，但其充放电速率较双电层电容器差。

双电层电容器短板在于容量非常低，但目前还没有有效的办法利用双电层存储电荷的原理达到高容量，所以研究重点还是赝电容型超级电容器。赝电容型超级电容器能达到较高的容量，其存储电荷的机理是电化学反应，具有能量密度还是太低，无法达到现有二次电池的最低要求；另一方面，电化学反应速率和纯粹的吸附和脱附相比一般较慢，提高其电导率是一个关键问题。所使用的镍铝水滑石作为正极材料就是一种具有较好电导性的高容量材料。