專利名稱：活性炭沉積鎳氧化物作為超級電容器正極材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在活性炭上沉積鎳氧化物作為電化學(xué)超級電容器正極活性材料的制備工藝。
背景技術(shù)：
電化學(xué)超級電容器的電容主要由兩方面構(gòu)成，以電極/溶液界面上的雙層為基礎(chǔ)的雙層電容和以界面二維法拉第反應(yīng)為基礎(chǔ)的準(zhǔn)電容。前者依賴具有高比表面積的電極材料，如活性炭，后者則依賴某些過渡金屬氧化物，如RuO2、NiOx。以活性炭為電極材料的電化學(xué)電容器的優(yōu)點(diǎn)是比電容較高、材料易得、成本低廉，且技術(shù)比較成熟；缺點(diǎn)是工作電壓較低，最大為1V，且能量密度較低。以RuO2為電極材料的電化學(xué)電容器的優(yōu)點(diǎn)是具有比活性炭高得多的比電容，但由于價(jià)格極其昂貴，限制了其未來可能的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種活性炭沉積鎳氧化物作為超級電容器正極材料及制備方法，它具有方法簡單易行，產(chǎn)品質(zhì)量可靠，電容器輸出能量明顯提高的特點(diǎn)。本發(fā)明由活性炭和沉積在活性炭上的鎳氧化物組成，沉積在活性炭上的鎳氧化物的沉積量為1.0～14.0mg/g。本發(fā)明的方法是由以下步驟實(shí)現(xiàn)的(A)在活性炭上沉積鎳氧化物；將活性炭浸漬在濃度為0.1～2.0mol/L的Ni(NO3)2溶液中，活性炭與Ni(NO3)2溶液的重量體積比為1∶5～10，浸漬時(shí)間為3～4小時(shí)，浸漬期間用超聲波對浸漬液進(jìn)行振蕩，然后將浸漬液濾除掉，將得到的濾餅分散到過量的濃度為1.0～2.0mol/L的NaOH或KOH溶液中，浸漬3～5小時(shí)，同時(shí)用超聲波振蕩，然后過濾，清洗炭粉至濾液的PH值為8時(shí)清洗結(jié)束，將炭材料在125℃溫度下真空干燥20小時(shí)，得到沉積量為1.0～14.0mg/g鎳氧化物的改性活性炭材料；(B)電極制備；按下述成份混合成膏改性活性炭材料80wt％、導(dǎo)電石墨10wt％、羧甲基纖維素(CMC)2.5wt％、聚四氟乙烯乳液(PTFE)4.5wt％、蒸餾水3wt％；將稱取好的改性活性炭材料與導(dǎo)電石墨通過機(jī)械振蕩的方式充分混合均勻，依次加入蒸餾水、CMC水溶液、PTFE乳液，一邊加入一邊通過機(jī)械攪拌使其均勻；集流體采用發(fā)泡金屬鎳或金屬鎳網(wǎng)，電極極耳采用金屬鎳箔，極耳和集流體采用點(diǎn)焊方式焊接；將上述和好的膏涂入事先裁好并焊接極耳的集流體中，要求涂膏均勻，避免出現(xiàn)薄厚不一或殘存氣孔的情況，可采用手工或機(jī)械方式涂膏，將涂膏完畢的極片在110℃條件下真空干燥，干燥時(shí)間為8～10小時(shí)，然后在壓延機(jī)或油壓機(jī)上將烘干后的極片壓實(shí)，經(jīng)修掉邊緣的毛刺后得到成品電極；(C)電極活化；活化電流對于電極的表面積控制范圍在0.1～10mA/cm2，充放電電位在-0.5～0.35V范圍之間，活化過程重復(fù)三個(gè)循環(huán)，充電終止電位為0.35V。采用普通活性炭制備的電化學(xué)超級電容器正極，在6mol/l KOH溶液作為電解液時(shí)，活化后析氧電位一般在0.184V，與同種普通活性炭負(fù)極組成電容器時(shí)，工作電壓通常不超過1V。而采用本發(fā)明改性活性炭材料制備的電極，在沉積不同量鎳氧化物的情況下，析氧電位均有明顯提高，可提高到0.220～0.290V。如果與普通活性炭負(fù)極組成電容器，工作電壓將超過1V，可提高0.036～0.106V，提高幅度3.6～10.6％。由于E＝0.5CV2，由此導(dǎo)致的電容器輸出能量將會明顯提高?；罨^程對于提高電極的析氧電位具有重要的作用。沉積鎳氧化物的活性炭材料，活化前析氧電位僅為0.043V。經(jīng)過3周期的活化后，析氧電位超過0.22V，最高可達(dá)到0.295V。同樣對于普通活性炭組成的電極，活化前析氧電位為0.184V，活化后達(dá)到0.22V。該結(jié)果表明，電容器裝配密封前，應(yīng)該有一個(gè)電極活化過程。如果沒有該過程，電容器的工作電壓和能量輸出就會打折扣。上述涉及的電極電位均相對于電解液為6mol/L KOH的Hgo/Hg參比電極的電位。
具體實(shí)施例方式
一本實(shí)施方式由活性炭和沉積在活性炭上的鎳氧化物組成，沉積在活性炭上的鎳氧化物的沉積量為1.0～14.0mg/g。
具體實(shí)施例方式
二本實(shí)施方式沉積在活性炭上的鎳氧化物的沉積量為1.0～3.0mg/g。
具體實(shí)施例方式
三本實(shí)施方式沉積在活性炭上的鎳氧化物的沉積量為3.1～7.0mg/g。
具體實(shí)施例方式
四本實(shí)施方式沉積在活性炭上的鎳氧化物的沉積量為7.1～10.0mg/g。
具體實(shí)施例方式
五本實(shí)施方式是由以下步驟實(shí)現(xiàn)的(A)在活性炭上沉積鎳氧化物；將活性炭浸漬在濃度為0.1～2.0mol/L的Ni(NO3)2溶液中，活性炭與Ni(NO3)2溶液的重量體積比為1∶5～10，浸漬時(shí)間為3～4小時(shí)，浸漬期間用超聲波對浸漬液進(jìn)行振蕩，然后將浸漬液濾除掉，將得到的濾餅分散到過量的濃度為1.0～2.0mol/L的NaOH或KOH溶液中，浸漬3～5小時(shí)，同時(shí)用超聲波振蕩，然后過濾，清洗炭粉至濾液的PH值為8時(shí)清洗結(jié)束，將炭材料在125℃溫度下真空干燥20小時(shí)，得到沉積量為1.0～14.0mg/g鎳氧化物的改性活性炭材料；(B)電極制備；按下述成份混合成膏改性活性炭材料80wt％、導(dǎo)電石墨10wt％、羧甲基纖維素(CMC)2.5wt％、聚四氟乙烯乳液(PTFE)4.5wt％、蒸餾水3wt％；將稱取好的改性活性炭材料與導(dǎo)電石墨通過機(jī)械振蕩的方式充分混合均勻，依次加入蒸餾水、CMC水溶液、PTFE乳液，一邊加入一邊通過機(jī)械攪拌使其均勻；集流體采用發(fā)泡金屬鎳或金屬鎳網(wǎng)，電極極耳采用金屬鎳箔，極耳和集流體采用點(diǎn)焊方式焊接；將上述和好的膏涂入事先裁好并焊接極耳的集流體中，要求涂膏均勻，避免出現(xiàn)薄厚不一或殘存氣孔的情況，可采用手工或機(jī)械方式涂膏，將涂膏完畢的極片在110℃條件下真空干燥，干燥時(shí)間為8～10小時(shí)，然后在壓延機(jī)或油壓機(jī)上將烘干后的極片壓實(shí)，經(jīng)修掉邊緣的毛刺后得到成品電極；(C)電極活化；活化電流對于電極的表面積控制范圍在0.1～10mA/cm2，充放電電位在-0.5～0.35V范圍之間，活化過程重復(fù)三個(gè)循環(huán)，充電終止電位為0.35V。
具體實(shí)施例方式
六本實(shí)施方式是由以下步驟實(shí)現(xiàn)的用分析天平稱取3g活性炭，放入燒杯中，用事先配好的Ni(NO3)2濃度為0.2mol/L的修飾液30ml超聲浸漬3小時(shí)，然后將材料通過抽濾方式過濾。將得到的濾餅分散到過量的、濃度為1.0mol/L的NaOH溶液中，超聲浸漬4小時(shí)。過濾、清洗炭粉，直至濾液pH值達(dá)到8。將過濾后的炭材料烘干，烘干溫度為125℃，時(shí)間為20小時(shí)。得到的修飾后的活性炭材料。采用原子吸收方法測得該炭材料中鎳含量為13.6mg/g。稱取200mg改性活性炭材料，稱取25mg石墨導(dǎo)電劑，通過機(jī)械振蕩的方式充分混合均勻。依次加入7ml蒸餾水、5.5mgCMC水溶液、9mgPTFE乳液。一邊加入，一邊通過機(jī)械攪拌使其均勻，最后調(diào)成粘性膏狀物。將上述和好的膏采用手工(或機(jī)械方式)涂入事先裁好并焊接上極耳的集流體中，集流體的尺寸為20×30mm2，要求涂膏均勻，不得出現(xiàn)薄厚不一或殘存氣孔的情況。將涂膏完畢的極片在110℃溫度下真空干燥8小時(shí)。在壓延機(jī)(或油壓機(jī))上將烘干后的極片壓實(shí)，經(jīng)修掉邊緣的毛刺后得到成品正極。
權(quán)利要求
1.活性炭沉積鎳氧化物作為超級電容器正極材料，其特征在于它由活性炭和沉積在活性炭上的鎳氧化物組成，沉積在活性炭上的鎳氧化物的沉積量為1.0～14.0mg/g。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性炭沉積鎳氧化物作為超級電容器正極材料，其特征在于沉積在活性炭上的鎳氧化物的沉積量為1.0～3.0mg/g。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性炭沉積鎳氧化物作為超級電容器正極材料，其特征在于沉積在活性炭上的鎳氧化物的沉積量為3.1～7.0mg/g。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性炭沉積鎳氧化物作為超級電容器正極材料，其特征在于沉積在活性炭上的鎳氧化物的沉積量為7.1～10.0mg/g。
5.活性炭沉積鎳氧化物作為超級電容器正極材料的制備方法，其特征在于它是由以下步驟實(shí)現(xiàn)的(A)在活性炭上沉積鎳氧化物；將活性炭浸漬在濃度為0.1～2.0mol/L的Ni(NO3)2溶液中，活性炭與Ni(NO3)2溶液的重量體積比為1∶5～10，浸漬時(shí)間為3～4小時(shí)，浸漬期間用超聲波對浸漬液進(jìn)行振蕩，然后將浸漬液濾除掉，將得到的濾餅分散到過量的濃度為1.0～2.0mol/L的NaOH或KOH溶液中，浸漬3～5小時(shí)，同時(shí)用超聲波振蕩，然后過濾，清洗炭粉至濾液的PH值為8時(shí)清洗結(jié)束，將炭材料在125℃溫度下真空干燥20小時(shí)，得到沉積量為1.0～14.0mg/g鎳氧化物的改性活性炭材料；(B)電極制備；按下述成份混合成膏改性活性炭材料80wt％、導(dǎo)電石墨10wt％、羧甲基纖維素2.5wt％、聚四氟乙烯乳液4.5wt％、蒸餾水3wt％；將稱取好的改性活性炭材料與導(dǎo)電石墨通過機(jī)械振蕩的方式充分混合均勻，依次加入蒸餾水、CMC水溶液、PTFE乳液，一邊加入一邊通過機(jī)械攪拌使其均勻；集流體采用發(fā)泡金屬鎳或金屬鎳網(wǎng)，電極極耳采用金屬鎳箔，極耳和集流體采用點(diǎn)焊方式焊接；將上述和好的膏涂入事先裁好并焊接極耳的集流體中，要求涂膏均勻，避免出現(xiàn)薄厚不一或殘存氣孔的情況，可采用手工或機(jī)械方式涂膏，將涂膏完畢的極片在110℃條件下真空干燥，干燥時(shí)間為8～10小時(shí)，然后在壓延機(jī)或油壓機(jī)上將烘干后的極片壓實(shí)，經(jīng)修掉邊緣的毛刺后得到成品電極；(C)電極活化；活化電流對于電極的表面積控制范圍在0.1～10mA/cm2，充放電電位在-0.5～0.35V范圍之間，活化過程重復(fù)三個(gè)循環(huán)，充電終止電位為0.35V。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的活性炭沉積鎳氧化物作為超級電容器正極材料的制備方法，其特征在于Ni(NO3)2濃度為0.2mol/L。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的活性炭沉積鎳氧化物作為超級電容器正極材料的制備方法，其特征在于過量的NaOH溶液的濃度為1.0mol/L。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的活性炭沉積鎳氧化物作為超級電容器正極材料的制備方法，其特征在于將涂膏完畢的極片在110℃溫度下真空干燥8小時(shí)。
全文摘要
活性炭沉積鎳氧化物作為超級電容器正極材料及制備方法，它涉及沉積鎳氧化物的活性炭作為電化學(xué)超級電容器正極活性材料和它的制備工藝。本發(fā)明沉積在活性炭上的鎳氧化物的沉積量為1.0～14.0mg/g，將活性炭浸漬在濃度為0.1～2.0mol/L的Ni(NO
文檔編號H01M4/04GK1545115SQ20031010771
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月20日
發(fā)明者袁國輝, 姜兆華, 褚德威 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)