[发明专利]对称杂化超级电容器及其应用

说明书

本发明公开了一种对称杂化超级电容器及其应用，该对称杂化超级电容器的正极和负极的电极材料均是碳材料与中间价态过渡金属化合物的复合材料，对称杂化超级电容器的电解液为碱性电解液。本发明提供的对称杂化超级电容器的两个电极同时含有具有双电层特征的碳材料和具有赝电容特性的中间价态过渡金属化合物，可有效提高器件的比容量；此外，中间价态过渡金属化合物使得对称杂化超级电容器的单电极在正极区域和负极区域的电压窗口都能工作，大幅拓宽了对称杂化超级电容器的工作电压窗口，从而提高器件的能量密度。所公开的对称杂化超级电容器集成了双电层电容、赝电容和杂化电容的工作模式，具有大的工作电压窗口和比容量、高的功率密度和能量密度。

技术领域

本发明属于电容器技术领域，具体来说涉及一种对称杂化超级电容器及其应用。

背景技术

随着全球能源危机和环境污染问题的日益严峻挑战以及便携式电子设备需求的不断增长，高性能储能系统引起了人们的广泛关注。在不同的储能系统中，超级电容器因其在高功率密度、长循环寿命、快速充放电和安全性等方面的突出优势而被公认为是一种有吸引力的储能系统。超级电容器虽然具有大的功率密度，但其比容量和能量密度与电池储能系统相比还存在很大差距。目前，超级电容器中广泛应用的电极材料是包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、碳气凝胶和多孔碳等在内的碳材料，它们都是基于电化学双电层电容(EDLC)的工作机理。但是，由于碳材料比表面积和孔径分布的限制，基于碳材料的超级电容器比容量难以满足实际需求。此外，受水分解理论电压的限制(1.23V)，水系超级电容器的工作电压窗口一般比较小。金属化合物由于与电解质的氧化还原反应而表现出优异赝电容特性，相比碳材料而言具有更高的理论比容量。因此，目前解决超级电容器能量密度低这一问题的主流技术就是开发非对称杂化超级电容器，即将双电层电容器的一个碳材料电极置换为具有赝电容储能特征的电极，这样充分利用两个电极的电位窗口来拓宽器件整体的工作电压窗口，集成了碳材料的双电层电容和金属化合物的赝电容，大幅提高了超级电容器的能量密度。比如：专利(ZL 201611218764.3)公开了一种正极为硫化钴，负极为碳材料的非对称超级电容器，具有宽的电势窗口，可提高器件的功率密度和能量密度；专利(ZL 201611062095.5)公开了一种以MnO₂/Mn复合材料作为正极，以碳纳米管作为负极的非对称电容器，具有良好的循环稳定性能和倍率性能。但是，这种非对称杂化超级电容器的负极一般采用的是比容量有限的碳材料。为了匹配金属化合物电极的高赝电容，需要提高碳材料电极的负载量，则会降低器件的能量密度；即便如此，由于碳材料比表面积和孔径分布限制，当提高碳材料电极负载量也不能匹配金属化合物电极的高赝电容时，会导致整个器件的载荷受限。因此，开发设计具有大电压窗口、高容量、高功率密度和能量密度的杂化电容器是科研和工程人员努力的方向。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种对称杂化超级电容器，该对称杂化超级电容器以碳材料与中间价态过渡金属化合物的复合材料同时作为正极和负极的电极材料，采用的电解液是碱性电解液。将对称杂化超级电容器的正极和负极各作为一个单电极，单电极在正极区域和负极区域的电压窗口都能工作，集成了双电层电容、赝电容和杂化电容工作模式，可大幅提高器件的电压窗口、比容量、功率密度和能量密度。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种对称杂化超级电容器，该对称杂化超级电容器的正极和负极的电极材料均是碳材料与中间价态过渡金属化合物的复合材料，所述对称杂化超级电容器的电解液为碱性电解液。

在上述技术方案中，所述碳材料与中间价态过渡金属化合物的复合材料中中间价态过渡金属化合物的质量占比为5-60wt％，优选为10-30wt％。

在上述技术方案中，所述中间价态过渡金属化合物为中间价态过渡金属的氧化物和/或氢氧化物，过渡金属为Mn、Fe、Co和Ni中的一种或几种。