[发明专利]用于制备包括铝基材、取向碳纳米管和导电有机聚合物的电极的方法、电极和其用途

说明书

本发明涉及用于制备电极的方法，所述电极包括由铝基材料制成的基材、垂直取向的碳纳米管和导电聚合物基质，所述方法包括以下相继步骤：(a)在小于或等于650℃的温度，根据CVD(化学气相沉积)技术，在由铝基材料制成的基材上合成垂直取向的碳纳米管的毯绒；(b)从包括基质的至少一种前体单体、至少一种离子液体和至少一种质子或非质子溶剂的电解质溶液中在所述碳纳米管上电化学沉积聚合物基质。本发明还涉及如此制备的电极和用于存储电能和返回电能的装置，如包括电极的超级电容器。

技术领域

本发明属于用于存储和恢复电能的装置的领域，更具体地涉及特别用于超级电容器的电极的领域。

事实上，本发明涉及用于制备电极的方法，该电极具有(i)由包括铝的材料制成的支撑件(support)、(ii)在所述支撑件上的垂直取向的碳纳米管和(iii)导电有机聚合物。

本发明还涉及由此制备的所述电极和其不同的用途，并且特别是在超级电容器中。

背景技术

为了使得可再生能源能够快速发展，电的存储是面临的最大挑战之一。在许多自主的资源中，超级电容器，基于碳表面上的离子的快速充电/放电循环，位于电容器和电池之间。它们的高存储效率(>95％)、它们的安全性、它们的可靠性和它们的使用寿命使其成为完成或替换现有解决方案的理想的候选。

在飞速发展的市场上，超级电容器具有两个电极，即阳极和阴极，其通过隔离物(separator)电绝缘，电解质布置在每个电极和隔离物之间。

对于超级电容器的一个重要参数是系统的电容。后者主要取决于选择用于电极的材料之间的相关性、这些电极的设计和电解质。

在商业上可获得的超级电容器中，电极的表面由活性炭组成。后者是多孔材料、电子传导的、电化学稳定的并且提供每单位体积的高表面积，即大于500m²·g^-1。然而，活性炭的孔隙度很难控制：在一方面，其取决于所使用的原料如富含碳的植物有机物质的孔隙度，在另一方面，取决于所实施的物理或化学活化方法。活性炭中不仅存在复杂性和控制不良的孔隙度，而且在其表面上存在不希望的官能团，这都会影响由活性炭制成的超级电容器的电容和性能。

在这个背景下，在纳米尺度良好组织的纳米材料如垂直取向的碳纳米管(或VACNT)的用途是非常有前景的。已经证明基于VACNT的几种电极材料获得了令人关注的特定电容，从而验证了这种配置(在材料中纳米管的取向(alignment)和规则间隔)在节能，尤其是超级电容器的功率方面的重要性。

在用于制造VACNT的已知方法中，由于与在非常高的温度操作的已知的其他制造方法(激光烧蚀和电弧放电)相比相对低的成本，以及关于为超级电容器的电极制造的工业化的需要，CVD(化学气相沉积)技术可以是有利的。在已知的方式中，CVD技术的一种替代选择在于将支撑件上的碳前体和催化前体同时地和连续地注射(称为共注射)到加热的反应器中，所述支撑件可由不同材料制成，如由石英、二氧化硅(silica)、碳制成的支撑件或金属支撑件如钢。

在超级电容器的背景中，在其上制备VACNT的金属支撑件用作集电器。为了最小化电极的重量，并因此最小化超级电容器的重量，轻金属支撑件如铝支撑件是有利的。