[发明专利]一种制备非对称纤维超级电容器电极的方法

说明书

本发明提供了一种制备非对称纤维超级电容器电极的方法及其制备电极、超级电容器，以单根亲水碳纤维(CF)为基底，在表面生长Co₃O₄阵列，得到Co₃O₄/CF阵列，具有丰富的比表面积，便于测试中与电解液接触，有利于快速的反应，为离子的传导提供良好的通道，从而提高非对称纤维超级电容器的电化学性能；此外，在单根亲水的CF表面制造丰富的多孔结构，得到的多孔碳纤维(PCF)同样具有丰富的比表面积；Co₃O₄/CF和PCF电极具有良好的稳定性，优异的比电容；Co₃O₄/CF和PCF分别作为非对称纤维超级电容器的正负极，无额外的粘结剂，得到的非对称纤维超级电容器(ASC)具有较宽的工作电压窗口和优异的能量密度和功率密度。

技术领域

本发明属于非对称纤维超级电容器技术领域，具体地，涉及一种制备非对称纤维超级电容器电极的方法及其制备的电极、超级电容器。

背景技术

超级电容器以其独特的性能和巨大的发展潜力在众多电源领域引起了广泛的关注(J.Am.Chem.Soc.2018,140,10941-10945)。根据储能机理，一般将超级电容器分为双电层超级电容器和赝电容超级电容器。双电层超级电容器通常由多孔碳材料组成，可以在电极/电解质的丰富界面上物理积聚大量电荷，这一特性使双电层超级电容器能够快速充放电，同时具有优异的循环稳定性。然而，双电层超级电容器的比电容相对较低，因此能量密度不理想。而过渡金属氧化物和导电聚合物组成的赝电容超级电容器，其比电容和能量密度通常高于双电层超级电容器，但其循环寿命并不理想。因此，非对称超级电容器(ASC)由于结合了双电层超级电容器和赝电容超级电容器的优点，近年来得到了广泛的研究(Adv.Funct.Mater.2018,28,1707247)。典型的非对称超级电容器(ASC)由赝电容型正极和双电层超级电容器负极构成，这种布局使非对称超级电容器(ASC)具有良好的电化学性能，如较宽的工作电压窗口、合适的电容、较高的能量密度和功率密度。

贵金属氧化物RuO₂等作为常用的非对称超级电容器(ASC)的电极，具有较好的电化学电容性质，但其价格昂贵并且有毒性。由于四氧化三钴(Co₃O₄)和氧化锰(MnOx)等同样具有优异的电化学性能，因此可作为贵金属氧化物的替代品，近年来在各种储能器件中引起了越来越多的关注(J.Am.Chem.Soc.2014,136,13925-13931)。研究者们研究了不同纳米结构和形貌的四氧化三钴，以获得非对称超级电容器优异的性能(ACS Nano 2015,9,6288-6296)。

公开号为CN105332097A的中国专利提供了一种利用静电纺丝技术制备的负载Co₃O₄纳米颗粒的碳纤维复合材料，是将钴源、聚乙烯吡咯烷酮和N,N-二甲基甲酰胺混合得到前驱体纺丝液，利用静电纺丝技术得到前驱体纤维，然后在惰性气体中煅烧得到Co₃O₄颗粒和碳纤维的复合材料。而这样的复合材料中，有一部分CO₃O₄暴露在碳纤维表面，另外一部分CO₃O₄是镶嵌在碳纤维内部，无法充分与电解液接触，不能起到活性物质的作用。此外，还存在一些问题阻碍了Co₃O₄在非对称纤维超级电容器中的进一步应用，如现有制备四氧化三钴的方法都很复杂，而且涉及到污染试剂；其次，额外的粘结剂和导电剂不易于电子的转移和离子扩散，从而阻碍四氧化三钴的电化学性能，且未集成的电极很容易散架，不适合制作非对称纤维超级电容器。

发明内容