一種大面積電容材料、高能量密度和功率密度電容器及其制備方法和應用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種大面積電容材料及其制備方法，該電容材料為CC/Fe2O3，其中CC為一種碳布。本發(fā)明提供了一種對稱型電化學電容器，其包括正極、負極、電解液、隔膜及集電器，所述正極和負極的材料為CC/Fe2O3。本發(fā)明提供的對稱型電化學電容器，以廉價且易得的碳布為電極原材料，制得的對稱型電化學電容器電極材料面積大、單位面積電容高、循環(huán)性好、穩(wěn)定性高，具有高能量密度和功率密度。本發(fā)明提供的對稱型電化學電容器通過簡單有效且環(huán)境友好的反應得到電化學性質(zhì)優(yōu)越的電極材料，并組裝出對稱型電化學電容器，其所用的設備簡單，易于推廣，可以通過調(diào)節(jié)反應液濃度及反應時間，以得到電化學性質(zhì)有所區(qū)別的電極材料。
【專利說明】一種大面積電容材料、高能量密度和功率密度電容器及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電化學電容器領域，特別涉及一種對稱型電化學電容器及其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002]相比于傳統(tǒng)電容器，電化學電容器一即超級電容器一可以多儲存上百倍甚至上千倍的電荷。不過美中不足的是，超級電容器存在能量密度低的問題。因此在其發(fā)展過程中，最關鍵的環(huán)節(jié)就是:如何在擴大能量密度的同時又保留其本身極高的比功率(功率密度)。為了滿足這迫切的需求，人們開發(fā)出了由以下兩部分組成的多元化合物電容器材料:具有擬電容的活性基團與高導電性襯底。人們嘗試利用活性炭，碳納米管，石墨烯以及導電聚合物等材料來提高導電性。在這些材料中，人們最為關注一些碳基復合物，比如過渡金屬氧/碳化物。由于具有良好的可逆氧化還原性質(zhì)，低成本，豐富的自然界儲量以及對環(huán)境友好等特點，F(xiàn)e2O3被認為是一種良好的電容器材料。
[0003]最近，由于獲得了對氫氣/氧氣有很高超電勢的電極材料，在中性電解液中得到了具有可逆高充放電壓的對稱碳基超級電容器。這展現(xiàn)了利用中性電解液發(fā)展高電壓，長壽命且高能量密度的超級電容器的前景。然而，從之前的一些報告中可以發(fā)現(xiàn)，對于這種超級電容器來說，其制作過程危險、麻煩、費時或者成本高，而這些都阻礙了其大規(guī)模的應用。因此，有必要發(fā)展一種相對簡單且廉價的制作方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為了解決上述問題，本發(fā)明目的在于提供一種廉價易得的電容材料及其制備方法和應用。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供一種對稱型電化學電容器及其制備方法。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明首先提出了一種大面積電容材料，其為CCVFe2O3，其中CC為一種碳布。
[0007]進一步地，本發(fā)明提供了制備所述大面積電容材料的方法，將碳布(CC)置于Fe (NO3) 3.9H20、Na2SO4的混合溶液中密封水熱反應一段時間，之后加熱裂解，得到電極材料CC/Fe203。
[0008]優(yōu)選地，所述混合溶液中Fe (NO3) 3.9H20的濃度為0.03?0.07mmol/L,所述Fe (NO3) 3.9H20和Na2SO4的物質(zhì)的量的比為1:0.7?1.3。
[0009]優(yōu)選地,所述碳布的面積與混合溶液體積的比為Icm2:1?1mL,所述混合溶液中的溶劑為50%乙醇(體積比)。
[0010]優(yōu)選地，所述密封水熱反應時間為3?9h，溫度為90?150°C。
[0011]優(yōu)選地，所述加熱裂解時間為I?3h，溫度為350?450°C。
[0012]另外，本發(fā)明還提供了所述大面積電容材料在電化學中的應用。
[0013]進一步地，本發(fā)明提供了一種對稱型電化學電容器，其包括正極、負極、電解液、隔膜及集電器，所述正極和負極的材料為CC/Fe203。
[0014]優(yōu)選地，所述隔膜為濾紙，所述集電器為鎳片。
[0015]優(yōu)選地，所述電解液為Li2SO4溶液，該Li2SO4溶液的濃度為I?3mol/L。
[0016]本發(fā)明的有益效果如下:
[0017]本發(fā)明提供的對稱型電化學電容器，以廉價且易得的碳布為電極原材料，制得的對稱型電化學電容器電極材料面積大、單位面積電容高、循環(huán)性好、穩(wěn)定性高，具有高能量密度和功率密度。本發(fā)明提供的對稱型電化學電容器通過簡單有效且環(huán)境友好的反應得到電化學性質(zhì)優(yōu)越的電極材料，并組裝出對稱型電化學電容器，其所用的設備簡單，易于推廣，可以通過調(diào)節(jié)反應液濃度及反應時間，以得到電化學性質(zhì)有所區(qū)別的電極材料。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明實施例提供對稱型電化學電容器的電極材料CC/Fe203的掃描電鏡圖；
[0019]圖2為本發(fā)明實施例提供對稱型電化學電容器的電流密度為2mA/cm2時，CC/Fe203//CC/Fe203、CC/Fe203-l//CC/Fe203-l 和 CC/Fe203-2//CC/Fe203_2 的充放電曲線圖；
[0020]圖3為本發(fā)明實施例提供對稱型電化學電容器的電壓掃描速率為10mV/S時，不同電壓范圍下CC/Fe203//CC/Fe203的循環(huán)伏安圖；
[0021]圖4為本發(fā)明實施例提供對稱型電化學電容器的電流密度為5mA/cm2時，不同電壓范圍下CC/Fe203//CC/Fe203的充放電曲線圖；
[0022]圖5為本發(fā)明實施例提供對稱型電化學電容器CC/Fe203//CC/Fe203單位面積電容隨電流密度變化的曲線圖；
[0023]圖6為不同大小的CC/Fe203//CC/Fe203電化學電容器的尺寸展示圖；
[0024]圖7為10cm2的CC/Fe203//CC/Fe203電化學電容器點亮LED燈的展示圖；
[0025]圖8為本發(fā)明實施例提供對稱型電化學電容器CC/Fe203//CC/Fe203能量密度隨功率密度變化的曲線圖。
【具體實施方式】
[0026]為使發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細的說明。
[0027]在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0028]本發(fā)明公開了一種大面積電容材料，其為CC/Fe203,其中CC為一種碳布。該材料通過以下方法制備:將碳布置于Fe(NO3)3.9H20、Na2SO4的混合溶液(溶劑為50%乙醇)中密封水熱反應一段時間，之后加熱裂解，得到電極材料CC/Fe203。在本步驟中Fe3+通過水熱反應水解在碳布上生成氫氧化物，之后通過熱解形成電極材料CC/Fe203。
[0029]本發(fā)明對混合溶液的濃度及碳布的量并無特定要求，但為了操作的便利性，混合溶液中的 Fe (NO3) 3.9H20 的濃度優(yōu)選為 0.03 ?0.07mmol/L, Fe (NO3) 3.9H20 和 Na2SO4 的物質(zhì)的量的比優(yōu)選為1:0.7?1.3，碳布的面積與溶液體積的比優(yōu)選為Icm2:1?10mL。
[0030]本發(fā)明對密封水熱反應與加熱裂解的儀器并無特別限制，可以采用本領域技術人員熟知的裝置。為提高效果，密封水熱反應時間優(yōu)選為3?9h，溫度優(yōu)選為90?150°C。加熱裂解時間優(yōu)選為I?3h，溫度優(yōu)選為350?450°C。
[0031]本發(fā)明還公開的一種對稱型電化學電容器，包括:正極、負極、電解液、隔膜及集電器，兩極的材料為CCVFe2O3，其中CC為碳布。本發(fā)明對隔膜材質(zhì)及電解液類型并無特別限定。隔膜材質(zhì)可有濾紙、聚偏二氟乙烯膜及醋酸纖維素膜等多種選擇，優(yōu)選為濾紙。電解液可有硫酸鋰溶液，氫氧化鉀溶液和硫酸鈉溶液等多種選擇，優(yōu)選為硫酸鋰溶液。本領域技術人員可容易知道，集電器可有金屬箔、金屬網(wǎng)、導電聚合物復合材料和膨脹金屬等多種選擇，本發(fā)明優(yōu)選為鎳片。
[0032]本發(fā)明進一步公開的了上述對稱型電化學電容器的制備方法，其包括如下步驟:
[0033]步驟a)制備電極材料為CC/Fe203 ；
[0034]步驟b)組裝正極和負極:兩塊電極材料CCVFe2O3中間用隔膜隔開，注入電解液，并在正負極材料外側加上集電器，即得到對稱型電化學電容器。為了進一步提高對稱型電化學電容器的能量密度，硫酸鋰溶液的濃度優(yōu)選為I?3mol/L。
[0035]為了進一步說明本發(fā)明的技術方案，下面結合實施例對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，而不是對本發(fā)明權利要求的限制。
[0036]下述實施例中采用中國上海江電有限公司生產(chǎn)的碳布,采用Zeiss Supra40的掃描電鏡，采用上海辰華公司生產(chǎn)的CHI760D電化學工作站對電化學電容器的電化學性能進行檢測。
[0037]此外，下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法，所使用的試齊U、惰性氣體，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。
[0038]實施例1
[0039]1、制備電極材料:
[0040]在室溫下，稱取一定量的Fe (NO3) 3.9H20、一定量的Na2SO4,加入640mLH20來溶解。然后將一塊碳布(31cmX 14.5cm)在去離子水和乙醇中超聲清洗后放入溶液中。將碳布浸泡30分鐘后，再將溶液轉移到SOOmL的聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼高壓反應釜中。接著，將釜密封好并放在電烤箱里加熱到120°C。加熱6個小時后，將產(chǎn)物用水和乙醇清洗若干次，再于60°C真空干燥，最后在空氣中將其熱解(2°C /min升溫至450°C并保溫2個小時)。
[0041]在每一份中Fe(NO3)3.9H20與Na2SO4的加入量保持相同，各份的加入量依次為35.0、26.25、42.75mmol。
[0042]以上各份依次記為CC/Fe203、CC/Fe203_l、CC/Fe203_2。
[0043]圖1為電極材料CC/Fe203的掃描電鏡圖，可見其結構。
[0044]2、組裝正極和負極:
[0045]先將兩塊CCVFe2O3材料切成大小為1.5cmX Icm的長方片做雙電極，以2mol/LLi2SO4溶液作電解液，濾紙作兩電極間的隔膜，兩片鎳片作為集電器，然后將這些部件組裝起來用封口膜包裹，得到CC/Fe203//CC/Fe203對稱型電化學電容器。
[0046]用相同的組裝方法得到CC/Fe203-l//CC/Fe203-l 和 CC/Fe203-2//CC/Fe203_2 對稱型電化學電容器，并進行電化學測試。
[0047]如圖2所示，可得出CC/Fe203//CC/Fe203的單位面積電容最大，電容性質(zhì)最好。
[0048]圖3與圖4展示了 CC/Fe203//CC/Fe203的性質(zhì)，由圖可得出在5mA/cm2的電流、2V的最大電壓下，CC/Fe203//CC/Fe203的單位面積電容達到了 1.7F/cm2。
[0049]如圖5所示，即使將電流密度擴大至lOOmA/cm2，CC/Fe203//CC/Fe203的單位面積電容仍能保持75%以上。
[0050]圖6中展示了更大大小的CC/Fe203//CC/Fe203電化學電容器，其單塊電極材料的大小從6cm2 一官至I丨10cm2O
[0051]對于10cm2的CC/Fe203//CC/Fe203電化學電容器，經(jīng)測定，在2.5mA/cm2的電流、2V的最大電壓下其單位面積電容仍有1.446F/cm2。
[0052]圖7中展示了 10cm2電化學電容器經(jīng)充電后可以點亮大量LED燈的結果。對于圖中的50盞燈，在按前述測定方式充電充滿后，點亮時間為14分鐘。
[0053]圖8展示了 CC/Fe203//CC/Fe203能量密度隨功率密度的變化，可見其擁有良好性倉泛。
[0054]雖然本發(fā)明是結合以上實施例進行描述的，但本發(fā)明并不被限定于上述實施例，而只受所附權利要求的限定，本領域普通技術人員能夠容易地對其進行修改和變化，但并不離開本發(fā)明的實質(zhì)構思和范圍。
【權利要求】
1.一種大面積電容材料，其特征在于，其為CCVFe2O3，其中CC為一種碳布。
2.—種制備權利要求1所述大面積電容材料的方法，其是將碳布置于Fe(NO3)3.9Η20、Na2SO4的混合溶液中密封水熱反應一段時間，之后加熱裂解，得到電極材料CC/Fe203。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述混合溶液中Fe(NO3) 3.9Η20的濃度為0.03?0.07臟01/1，所述？6(吣3)3.9!120和Na2SO4的物質(zhì)的量的比為1:0.7?1.3。
4.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述碳布的面積與混合溶液體積的比為1:1?10cm2/mL,所述混合溶液中的溶劑為50%乙醇。
5.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述密封水熱反應時間為3?9h，溫度為90 ?150°C。
6.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述加熱裂解時間為I?3h，溫度為350 ?450O。
7.權利要求1所述大面積電容材料在電化學中的應用。
8.—種對稱型電化學電容器，其包括正極、負極、電解液、隔膜及集電器，所述正極和負極的材料為CCVFe2O3。
9.根據(jù)權利要求8所述的電化學電容器，其特征在于，所述隔膜為濾紙，所述集電器為鎮(zhèn)片。
10.根據(jù)權利要求8所述的電化學電容器，其特征在于，所述電解液為Li2SO4溶液，該Li2SO4溶液的濃度為I?3mol/L。
【文檔編號】H01G9/042GK104517735SQ201310454661
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權日:2013年9月29日
【發(fā)明者】俞書宏, 陳立鋒, 馬驍 申請人:中國科學技術大學