[发明专利]用于交流线路滤波领域的碳纳米洋葱薄膜基超级电容器

说明书

本发明公开了一种用于交流线路滤波领域的碳纳米洋葱薄膜基超级电容器，通过采用化学气相沉积法在镍片表面合成互连结构的碳纳米洋葱薄膜的电极材料，并分别利用水系或有机系两种电解质组装碳纳米洋葱薄膜基超级电容器用于交流线路滤波。该碳纳米洋葱薄膜基超级电容器可以利用碳纳米洋葱高曲率的优势，并充分发挥其优异的频率响应性能和高倍率性能。而且拥有高的体积比容量、体积能量密度与良好的工作稳定性。

技术领域

本发明属于滤波电容器、超级电容器及碳纳米材料制备技术领域，具体来说涉及一种用于交流线路滤波领域的碳纳米洋葱薄膜基超级电容器。

背景技术

电力系统依靠发电厂产生的交流电传输，并通过整流和交流线路滤波设备使交流电转换成可以供家庭用电设备使用的直流电来维持设备的运行。交流线路滤波器在将交流电转化为直流电过程中的核心器件。该器件负责将整流后频率为2倍输入频率(中国和欧洲等地输入频率为50Hz，美国等地输入频率为60Hz)的脉冲型电流转化成稳定的直流电信号。目前，主要用于交流线路滤波的设备是电解电容器，其中以铝电解电容器应用最为广泛。

铝电解电容器拥有十分优异的交流滤波性能，然而依旧存在很多应用问题制约着交流线路滤波电容器的发展。铝电解电容器比容量过低，需要增大铝电解电容器的电极面积以达到稳定工作的电容量。因此制备中通常将电极卷成圆筒以达到电容要求，造成了铝电解电容器体积过大，体积比容量与能量密度过低，使其成为用电器电路中最大的电子元件。这一点严重限制了滤波电容器微型集成化的发展以及小型化或便携式电子器件中的发展。因此，提高体积比容量与体积能量密度成为发展交流线路滤波电容器的关键所在，也是目前制备滤波电容器面临的技术挑战。

超级电容器以拥有快速充放电能力及高的功率密度，体积比容量比铝电解电容器高两个数量级，因此超级电容器可以解决目前滤波器解决体积过大的问题，有望作为新一代交流线路滤波器应用于小型化电子器件。目前，超级电容器主要用比容量高的活性炭作为电极材料，然而，其丰富的内孔结构及曲折的孔内路径限制了电解质离子的快速吸脱附与扩散，在120Hz的相位角几乎为0°，RC时间常数为1s，使超级电容器无法达到交流线路滤波器的性能要求。因此需要开发一种导电性好且孔结构和电极表面利于电解质离子快速吸脱附与扩散的碳基电极材料结构。

垂直石墨烯与碳纳米管阵列结构作为电极材料使超级电容器拥有优异频率响应性能和扩散性能，具备交流线路滤波性能(Science,2010,329(5999):1637-1639.和Nanoletters,2012,13(1):72-78.)。然而，这些垂直结构纵向高度较高，降低了体积比容量与体积能量密度，其制备过程复杂且成本较高，不适于大规模的电极材料制备。碳纳米管薄膜与多孔石墨烯薄膜也被报道用于交流线路滤波电容器的制备，然而两者无法避免电解质溶液与集流体的接触，降低了电容器的稳定性。另外，石墨烯与碳纳米管的倍率性能并不理想，在涉及到高频及大功率要求的交流滤波应用方面，并不能满足更高的工作条件要求。因此目前急需发展一种新型结构的碳材料及基于此的超级电容器，使其拥有快速的频率响应能力，高的倍率性能，高的体积比容量、高的体积能量密度、并且电极材料易于实现成本较低的大规模制备。

发明内容

本发明针对亟待解决的铝电解电容器体积比电容过低、体积过大的问题，以及目前碳材料超级电容器中存在的体积比容量低、体积能量密度低、倍率性能差和制备工艺复杂成本高等问题，本发明的目的是提供一种用于交流线路滤波领域的碳纳米洋葱薄膜基超级电容器，其在120Hz下具有接近于90°的相位角，极低的RC时间常数与弛豫时间常数，高的倍率性能，且具备高的体积比容量与体积能量密度，并可将不同频率的交流电信号滤为稳定的直流电信号，可应用于新一代小体积的滤波电容器。另外，其具有快速的离子吸脱附性能与可观的电荷存储性能，基于此的碳纳米洋葱薄膜基超级电容器具有优异的频率响应性能、高的倍率性能、高的体积比电容、高体积能量密度及优良的电化学循环稳定性。