[发明专利]一种柔性耐低温水系超级电容器的制作方法

说明书

本发明属于纳米材料和功能器件技术领域。具体涉及一种柔性耐低温水系超级电容器的制作方法，利用低浓度二维过渡金属碳化物(MXene)分散液冷冻干燥后的絮状粉末直接压实制备柔性MXene电极，使用商业碳布组成非对称电极，用高浓度硫酸作为电解液，封装于铝塑膜中，组装出柔性水系超级电容器。在水溶液中通过高功率超声对MXene进行剥离破碎，获得浓度介于0.1～1mg/ml的单片层且二维尺寸小于200nm的MXene分散液，将分散液用冷冻干燥机进行快速冷冻并真空干燥得到絮状粉末，对所得粉末进行压片制取电极。电容器制作工艺简单、成本低、性能稳定，解决了电子设备、储能器件在极低温条件下无法正常充放电的问题。

技术领域

本发明属于纳米材料和功能器件技术领域，具体涉及一种柔性耐低温水系超级电容器的制作方法。

背景技术

超级电容器又称电化学超级电容器，是一种新型储能装置，它具有功率密度高、循环寿命长、安全性高等特点。其电解液一般有水系和有机两种，水系电解液相比有机电解液能提供更高的功率密度，且封装条件更简便，成本更低。但常规水系电解液的冰点较高，很难在0℃以下正常工作。为了适应在低温条件下工作就需要额外添加有机抗冻剂(例如参考文献CN 105280397 A)，而抗冻剂的添加会降低水系超级电容器的整体性能。

超级电容器根据储能机理的不同可以分为两类：双电层电容器和赝电容电容器。其中，双电层电容器例如碳基超级电容器，电容的产生主要是通过静电作用进行电荷存储。赝电容电容器则是通过电极表面快速的可逆氧化还原反应来实现储能，例如MnO₂,RuO₂,Ni(OH)₂等，这类超级电容器相比双电层电容器有着较高的能量密度，但倍率性能极差。

过渡金属碳化物、氮化物(MXene)是一种新的二维材料，MXene的一般公式为M_n+1X_nT_x(n＝1-3)，其中M表示过渡金属元素(如Sc、Ti、Zr、V、Nb等)，X表示碳和/或氮，T_x表示表面末端(如羟基、氧或氟)。MXene在硫酸电解液中同时拥有较高的比电容以及良好的倍率性能，因此这种材料在超级电容器上有着良好的应用前景。

MXene由于表面含有大量含氧官能团因而具有较好的亲水性，用水做溶剂时，MXene层间会结合部分自由水，这些自由水为离子传输提供快速通道，提升了倍率性能，但MXene在热干燥后会出现片层的堆叠现象，堆叠后会使得层间距变小，离子在材料内部的扩散变慢，电化学性能变差的问题在低温下会更加严重。为解决片层堆叠的问题，有工作对MXene片层表面进行修饰(例如参考文献CN 109796016 A)，有工作对MXene进行做材料复合(例如参考文献CN 109830381 A)，这些方法都需要引入其他功能材料，工艺复杂，成本较高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明利用高功率超声后所得的MXene碎片分散液进行冷冻干燥后的MXene粉末直接压实来制备MXene电极，无需额外功能材料，在封装时用高浓度硫酸取代常规浓度硫酸，避免了抗冻剂的使用，精简工艺，降低成本，同时获得优良的低温性能。

本发明提供的柔性耐低温水系超级电容器的制作方法，包括如下步骤：

步骤一：将前驱体MAX加入盐酸和氟化锂(氟化锂与前驱体MAX的质量比为1:1)混合溶液中刻蚀后清洗烘干获得常规MXene粉末。

其中，盐酸的浓度为6～9mol/L，体积为10～30ml，MXene为Ti₃C₂、Ti₂C、Ti₂N、Nb₂C、V₂C中的任一种。

步骤二：将步骤一所得MXene粉末加入去离子水配成浓度为0.1～1mg/ml的悬浊液，在氩气气氛保护以及冰浴环境下以800～1000W的功率超声2～8小时后将所得溶液离心，取上层清液。