[发明专利]一种具有高功率密度的非对称超级电容器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有高功率密度的非对称超级电容器及其制备方法，非对称超级电容器包括正极材料、负极材料、设置在正极材料与负极材料之间的隔膜以及电解液，正极材料为沉积有氢氧化钴纳米片的Co(OH)₂@Ni镍网正极材料，负极材料为沉积有碳纳米管的CNTs@Ni镍网负极材料，隔膜为聚丙烯隔膜，电解液为碱性水溶性电解质溶液，制备时，采用恒电位沉积法在镍网上沉积氢氧化钴纳米片，制得Co(OH)₂@Ni镍网正极材料，并采用气相沉积法在镍网上生长碳纳米管，制得CNTs@Ni镍网负极材料，组装成新型非对称超级电容器。与现有技术相比，本发明制备工艺简单，操作方便，并适合大规模生产，制得的非对称超级电容器具有优异的功率密度及循环性能，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于电化学储能领域，涉及一种超级电容器及其制备方法，尤其是涉及一种具有高功率密度的非对称超级电容器及其制备方法。

背景技术

超级电容器是一种介于常规电容器与化学电池之间的新型储能元件，兼具传统电容器高的比功率和化学电池高的比能量的特点。目前，超级电容器作为一种新型的储能设备，其具有比电池更高效的充放电速度，而且具有比静电电容器更大的储存容量。此外，超级电容器以其高功率密度、长循环寿命、环境友好性、高安全性等优点，现已在各领域得到广泛应用，例如，备用电源、便携电子设备、新能源汽车等。

然而，当前对于超级电容器电极材料的研究，能量密度低是研究者们面临的主要瓶颈，组装非对称型超级电容器可扩大电容器的电位窗口，从而能够增大电容器的能量密度。因此，组装非对称型超级电容器的方法现已备受关注，但当前大多非对称型电容器在获取高能量密度的同时，却损失了电容器本身高功率密度的特点。由此可见，要得到兼备高能量密度和高功率密度的非对称型超级电容器，选取合适的电极材料非常重要。

目前，用于超级电容器电极材料主要有两类：一类是用作双电层电容器的各种碳材料，其特点是导电率高、表面积大、具有合适的孔径分布、稳定性好，但比容一般较低；另一类是是用作法拉第电容器的导电聚合物材料及金属氧化物材料等，其比容一般较高，但稳定性较差。

现有的研究成果中，有不少关于石墨烯与氢氧化钴复合用于制备超级电容器的报道。例如，申请号为201110242266.3的中国发明专利公布了一种制备石墨烯/氢氧化钴超级电容器复合电极材料的方法，通过化学气相沉积技术，在泡沫镍基底上沉积少层竖直生长的石墨烯，反应过程中碳源气体、氩气的相应流量比为20：80， 单位为标准状态毫升每分；然后通过电化学沉积的方法，以竖直生长石墨烯为基底沉积氢氧化物，以实现电极材料的复合。然而，上述专利仍存在一些不足之处：一方面该专利的集流体材料选用的是泡沫镍，泡沫镍的二维卷曲性不够良好；另一方面该专利是将石墨烯和Co(OH)₂复合，得到的复合材料电容值低于纯Co(OH)₂的电容值。而本发明专利选用镍网作为集流体，具有良好的二维卷曲性，可用于可穿戴的供电设备。另外，本发明专利直接在金属Ni网上沉积Co(OH)₂，具有更高的比电容值(相同电流密度2A g^-1电流密度下，本发明专利为751.6F g^-1，而上述对比专利为568F g^-1)。

申请号为201410503506.4的中国发明专利公布了一种非对称式超级电容器的制作方法，包括电容器正、负电极体系即电极材料和电极液的制备和组装，其中，正极所用电极材料为氢氧化钴/石墨烯复合电极材料，电解液为氢氧化钾/铁氰化钾的混合电解液；负极所用的电极材料为活性炭/碳纤维纸，电解液为氢氧化钾/对苯二胺的混合电解液，实现固体电极和液体电解液同时提供比电容。该专利公布的技术方案，虽能达到较高的能量密度，但却损失了功率密度，其功率密度相对较低，而且电极合成过程较繁琐。而本发明专利制备所得的非对称型超级电容器不仅能达到较高能量密度，还能得到优异的功率密度；另外，本发明专利中的正负电极均采用一步合成法，方法简易，最后组装得到的Co(OH)₂@Ni//CNTs@Ni非对称型超级电容器的循环伏安曲线，表现出少见的双电层电容性能，具有理想的电容特性。