本發(fā)明屬于超級(jí)電容器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種ce/c復(fù)合材料、其制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，能源短缺以及環(huán)境污染等問(wèn)題也隨之出現(xiàn)。電化學(xué)超級(jí)電容器簡(jiǎn)稱超級(jí)電容器，作為一種新型的儲(chǔ)能裝置在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。作為新型儲(chǔ)能元件，超級(jí)電容器兼具蓄電池能量密度大和電解電容器功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，循環(huán)壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)能效率高、充放電速度快、高低溫性能好、環(huán)境友好，具有卓越的儲(chǔ)能潛力。

電極材料是決定超級(jí)電容器性能的最重要的因素，當(dāng)前商用的超級(jí)電容器以高比表面積的碳材料為主，這種材料主要基于雙電層原理儲(chǔ)存電能，具有極高的循環(huán)壽命，但是電容量和能量密度相對(duì)較低，距離實(shí)際應(yīng)用的要求還有一定的距離。因此如何提高電極材料的電容量是當(dāng)前超級(jí)電容器研究領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種ce/c復(fù)合材料、其制備方法及其應(yīng)用，本發(fā)明提供的ce/c復(fù)合材料用作超級(jí)電容器電極時(shí)電化學(xué)性能優(yōu)異，具有較高的比電容量和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。

本發(fā)明提供了一種ce/c復(fù)合材料，包括ce化合物和c材料，所述ce化合物選自ces2、ce(oh)3或ce(oh)4；所述c材料選自石墨烯或活性炭。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述ce化合物和c材料的質(zhì)量比為1∶3～6。

本發(fā)明還提供了一種ce/c復(fù)合材料的制備方法，包括：

將ce化合物與c材料混合，加入水?dāng)嚢杈鶆蚝筮M(jìn)行水熱反應(yīng)，得到ce/c復(fù)合材料；

所述ce化合物選自ces2、ce(oh)3或ce(oh)4；所述c材料選自石墨烯或活性炭。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述水熱反應(yīng)的溫度為100～500℃，所述水熱反應(yīng)的時(shí)間為2天～5天。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述鍶化合物和石墨烯的質(zhì)量比為1∶3～6。

具體而言，所述制備方法包括：

首先將ce化合物粉末與c材料混合均勻后加入去離子水進(jìn)行水浴攪拌，攪拌速率為1000～3000r/min；攪拌均勻后將得到的混合物移入水熱反應(yīng)釜進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)產(chǎn)物洗滌干燥，即可得到ce/c復(fù)合材料。其中，洗滌具體為利用無(wú)水乙醇和去離子水分別清洗2～6次。

上述技術(shù)方案所述的ce/c復(fù)合材料可以作為超級(jí)電容器電極材料，具有良好的電化學(xué)性能。

本發(fā)明還提供了一種超級(jí)電容器電極，包括泡沫鎳和復(fù)合在所述泡沫鎳上的電極材料，所述電極材料包括導(dǎo)電聚合物、粘合劑和上述技術(shù)方案所述的ce/c復(fù)合材料。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述導(dǎo)電聚合物為聚苯胺，所述粘合劑為聚四氟乙烯。

具體而言，所述超級(jí)電容器電極可以按照以下方法制備：

將上述技術(shù)方案所述的ce/c復(fù)合材料、導(dǎo)電聚合物及粘合劑混合，加入乙醇后，用攪拌機(jī)攪拌1～3h，得到電極漿料；

用涂覆機(jī)將上述電極漿料均勻涂覆在泡沫鎳上，在加熱箱里干燥、切片、壓片后得到ni-a/b超級(jí)電容器電極。

具體而言，ce/c復(fù)合材料、導(dǎo)電聚合物和粘合劑為的質(zhì)量比為2∶1∶1～10∶1∶1。攪拌速率為1000～3000r/min，時(shí)間為1h～3h。干燥溫度為100～400℃，干燥時(shí)間為1～12h。電極片的直徑為1cm，厚為0.1～0.5cm。壓片的壓力為3～12mpa。

本發(fā)明還提供了一種超級(jí)電容器，包括上述技術(shù)方案所述的超級(jí)電容器電極。

本發(fā)明以水熱法制備的ce/c復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料，不僅具有良好的電化學(xué)性能，而且具有較高的比電容和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明使用水熱法制備的ce/c復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料，其比電容可以達(dá)到20～1000f/g；在恒流充放電3000次后，比電容仍然保持97％以上。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的電極材料在不同掃描速率下獲得的循環(huán)伏安圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的電極材料在不同電流密度下獲得的充放電曲線圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例中，導(dǎo)電聚合物為聚苯胺，粘合劑為聚四氟乙烯。

實(shí)施例1

(1)將ce(oh)4與活性炭按質(zhì)量比1∶5混合均勻后，加入50ml去離子水，在水浴攪拌反應(yīng)12h后，將上述液體移至水熱反應(yīng)釜里，在200℃下反應(yīng)2天，經(jīng)過(guò)濾洗滌后，干燥備用；

(2)用電子天平稱取0.850g經(jīng)步驟(1)制備而成的ce(oh)4/活性炭復(fù)合材料；

(3)用電子天平稱取0.106g導(dǎo)電聚合物以及與之等質(zhì)量的粘合劑；

(4)將步驟(2)和步驟(3)所稱得的ce(oh)4/活性炭復(fù)合材料、導(dǎo)電聚合物及粘合劑以質(zhì)量比為8∶1∶1的比例混合，加入乙醇后，用攪拌機(jī)攪拌1～3h；

(5)將步驟(4)所得的均勻液體，用涂覆機(jī)均勻涂覆在泡沫鎳上；

(6)將步驟(5)所得的泡沫鎳，放入加熱箱里以300℃干燥8h；

(7)待步驟(6)干燥完成之后，用切片機(jī)將步驟(7)所得的泡沫鎳切成直徑為1cm、厚0.1cm的電極片；

(8)將步驟(7)所得的片狀電極片，用壓片機(jī)壓片，最終制得ni-ce(oh)4/活性炭超級(jí)電容器電極。

對(duì)所述電極進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果參見圖1和圖2，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的電極材料在不同掃描速率下獲得的循環(huán)伏安圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的電極材料在不同電流密度下獲得的充放電曲線圖。由圖1和圖2可知，本發(fā)明提供的電極材料具有良好的電化學(xué)性能。

本實(shí)施例中制備的ce/c復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料，其比電容可以達(dá)到1055f/g；在恒流充放電3000次后，比電容仍然保持99.5％以上。

實(shí)施例2

(1)將氫氧化鈰、活性炭按質(zhì)量比1∶3混合均勻后，加入50ml去離子水，在水浴攪拌反應(yīng)12h后，將上述液體移至水熱反應(yīng)釜里，在200℃下反應(yīng)3天，經(jīng)過(guò)濾洗滌后，干燥備用；

(2)用電子天平稱取2.10g經(jīng)步驟(1)制備而成的氫氧化鈰/活性炭復(fù)合材料；

(3)用電子天平稱取0.350g導(dǎo)電聚合物以及與之等質(zhì)量的粘合劑；

(4)將步驟(2)和步驟(3)所稱得的氫氧化鈰/活性炭復(fù)合材料、導(dǎo)電聚合物及粘合劑以質(zhì)量比為6∶1∶1的比例混合，加入乙醇后，用攪拌機(jī)攪拌2h；

(5)將步驟(4)所得的均勻液體，用涂覆機(jī)均勻涂覆在泡沫鎳上；

(6)將步驟(5)所得的泡沫鎳，放入加熱箱里以120℃干燥8h；

(7)待步驟(6)干燥完成之后，用切片機(jī)將步驟(7)所得的泡沫鎳切成直徑為1cm、厚0.1的電極片；

(8)將步驟(7)所得的片狀電極片，用壓片機(jī)壓片，最終制得ni-氫氧化鈰/活性炭超級(jí)電容器電極。

本實(shí)施例中制備的ce/c復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料，其比電容可以達(dá)到1255f/g；在恒流充放電3000次后，比電容仍然保持97.5％以上。

實(shí)施例3

(1)將ce(oh)4、石墨烯按質(zhì)量比為1∶5混合均勻后，加入20ml去離子水，在水浴攪拌反應(yīng)8h后，將上述液體移至水熱反應(yīng)釜里，在300℃下反應(yīng)2天，經(jīng)過(guò)濾洗滌后，干燥備用；

(2)用電子天平稱取2.10g步驟(1)制備而成的ce(oh)4/石墨烯復(fù)合材料；

(3)用電子天平稱取0.106g導(dǎo)電聚合物以及與之等質(zhì)量的粘合劑；

(4)將步驟(2)和步驟(3)所稱得的ce(oh)4/石墨烯復(fù)合材料、導(dǎo)電聚合物及粘合劑以質(zhì)量比為6∶1∶1的比例混合，加入乙醇后，用攪拌機(jī)攪拌1h；

(5)將步驟(4)所得的均勻液體，用涂覆機(jī)均勻涂覆在泡沫鎳上；

(6)將步驟(5)所得的泡沫鎳，放入加熱箱里以200℃干燥12h；

(7)待步驟(6)干燥完成之后，用切片機(jī)將步驟(7)所得的泡沫鎳切成直徑為1cm、厚0.1～0.5cm的電極片；

(8)將步驟(7)所得的片狀電極片，用壓片機(jī)壓片，最終制得ni-ce(oh)4/石墨烯超級(jí)電容器電極。

本實(shí)施例中制備的ce/c復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料，其比電容可以達(dá)到1005f/g；在恒流充放電3000次后，比電容仍然保持97.6％以上。

實(shí)施例4

(1)將ce(oh)3、活性炭按質(zhì)量比為1∶5混合均勻后，加入20ml去離子水，在水浴攪拌反應(yīng)10h后，將上述液體移至水熱反應(yīng)釜里，在300℃下反應(yīng)2天，經(jīng)過(guò)濾洗滌后，干燥備用；

(2)用電子天平稱取0.850g步驟(1)制備而成的ce(oh)3/活性炭復(fù)合材料；

(3)用電子天平稱取0.106g導(dǎo)電聚合物以及與之等質(zhì)量的粘合劑；

(4)將步驟(2)和步驟(3)所稱得的ce(oh)3/活性炭復(fù)合材料、導(dǎo)電聚合物及粘合劑以質(zhì)量比為6∶1∶1的比例混合，加入乙醇后，用攪拌機(jī)攪拌1.5h；

(5)將步驟(4)所得的均勻液體，用涂覆機(jī)均勻涂覆在泡沫鎳上；

(6)將步驟(5)所得的泡沫鎳，放入加熱箱里以200℃干燥8h；

(7)待步驟(6)干燥完成之后，用切片機(jī)將步驟(7)所得的泡沫鎳切成直徑為1cm、厚0.1～0.5cm的電極片；

(8)將步驟(7)所得的片狀電極片，用壓片機(jī)壓片，最終制得ni-ce(oh)3/活性炭超級(jí)電容器電極。

本實(shí)施例中制備的ce/c復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料，其比電容可以達(dá)到110f/g；在恒流充放電3000次后，比電容仍然保持97.9％以上。

實(shí)施例5

(1)將ces2、石墨烯按質(zhì)量比為1∶3混合均勻后，加入20ml去離子水，在水浴攪拌反應(yīng)9h后，將上述液體移至水熱反應(yīng)釜里，在200℃下反應(yīng)3天，經(jīng)過(guò)濾洗滌后，干燥備用；

(2)用電子天平稱取1.550g步驟(1)制備而成的ces2/石墨烯復(fù)合材料；

(3)用電子天平稱取0.274g導(dǎo)電聚合物以及與之等質(zhì)量的粘合劑；

(4)將步驟(2)和步驟(3)所稱得的ces2/石墨烯復(fù)合材料、導(dǎo)電聚合物及粘合劑以質(zhì)量比為6∶1∶1的比例混合，加入乙醇后，用攪拌機(jī)攪拌2h；

(5)將步驟(4)所得的均勻液體，用涂覆機(jī)均勻涂覆在泡沫鎳上；

(6)將步驟(5)所得的泡沫鎳，放入加熱箱里以250℃干燥10h；

(7)待步驟(6)干燥完成之后，用切片機(jī)將步驟(7)所得的泡沫鎳切成直徑為1cm、厚0.1～0.5cm的電極片；

(8)將步驟(7)所得的片狀電極片，用壓片機(jī)壓片，最終制得ni-ces2/石墨烯超級(jí)電容器電極。

本實(shí)施例中制備的ce/c復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料，其比電容可以達(dá)到201f/g；在恒流充放電3000次后，比電容仍然保持97.8％以上。

實(shí)施例6

(1)將ce(oh)3、石墨烯按質(zhì)量比為1∶3混合均勻后，加入20ml去離子水，在水浴攪拌反應(yīng)10h后，將上述液體移至水熱反應(yīng)釜里，在200℃下反應(yīng)4天，經(jīng)過(guò)濾洗滌后，干燥備用；

(2)用電子天平稱取1.780g步驟(1)制備而成的ce(oh)3/石墨烯復(fù)合材料；

(3)用電子天平稱取0.282g導(dǎo)電聚合物以及與之等質(zhì)量的粘合劑；

(4)將步驟(2)和步驟(3)所稱得的ce(oh)3-石墨烯復(fù)合材料、導(dǎo)電聚合物及粘合劑以質(zhì)量比為6∶1∶1的比例混合，加入一定比量的乙醇后，用攪拌機(jī)攪拌3h；

(5)將步驟(4)所得的均勻液體，用涂覆機(jī)均勻涂覆在泡沫鎳上；

(6)將步驟(5)所得的泡沫鎳，放入加熱箱里以300℃干燥12h；

(7)待步驟(6)干燥完成之后，用切片機(jī)將步驟(7)所得的泡沫鎳切成直徑為1cm、厚0.1～0.5cm的電極片；

(8)將步驟(7)所得的片狀電極片，用壓片機(jī)壓片，最終制得ni-ce(oh)3/石墨烯超級(jí)電容器電極。

本實(shí)施例中制備的ce/c復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料，其比電容可以達(dá)到153f/g；在恒流充放電3000次后，比電容仍然保持98.2％以上。

實(shí)施例7

(1)將ces2、活性炭按質(zhì)量比為1∶3混合均勻后，加入50ml去離子水，在水浴攪拌反應(yīng)8h后，將上述液體移至水熱反應(yīng)釜里，在300℃下反應(yīng)2.5天，經(jīng)過(guò)濾洗滌后，干燥備用；

(2)用電子天平稱取1.080g步驟(1)制備而成的ces2/活性炭復(fù)合材料；

(3)用電子天平稱取0.201g導(dǎo)電聚合物以及與之等質(zhì)量的粘合劑；

(4)將步驟(2)和步驟(3)所稱得的ces2/活性炭復(fù)合材料、導(dǎo)電聚合物及粘合劑以質(zhì)量比為6∶1∶1的比例混合，加入乙醇后，用攪拌機(jī)攪拌3h；

(5)將步驟(4)所得的均勻液體，用涂覆機(jī)均勻涂覆在泡沫鎳上；

(6)將步驟(5)所得的泡沫鎳，放入加熱箱里以110℃干燥5h；

(7)待步驟(6)干燥完成之后，用切片機(jī)將步驟(7)所得的泡沫鎳切成直徑為1cm、厚0.1～0.5cm的電極片；

(8)將步驟(7)所得的片狀電極片，用壓片機(jī)壓片，最終制得ni-ces2/活性炭超級(jí)電容器電極。

本實(shí)施例中制備的ce/c復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料，其比電容可以達(dá)到268f/g；在恒流充放電3000次后，比電容仍然保持98.3％以上。

實(shí)施例8

(1)將ces2、活性炭按質(zhì)量比1∶5為混合均勻后，加入60ml去離子水，在水浴攪拌反應(yīng)10h后，將上述液體移至水熱反應(yīng)釜里，在300℃下反應(yīng)3天，經(jīng)過(guò)濾洗滌后，干燥備用；

(2)用電子天平稱取1.985步驟(1)制備而成的ces2/活性炭復(fù)合材料；

(3)用電子天平稱取0.298g導(dǎo)電聚合物以及與之等質(zhì)量的粘合劑；

(4)將步驟(2)和步驟(3)所稱得的ces2/活性炭復(fù)合材料、導(dǎo)電聚合物及粘合劑以質(zhì)量比為6∶1∶1的比例混合，加入乙醇后，用攪拌機(jī)攪拌2.5h；

(5)將步驟(4)所得的均勻液體，用涂覆機(jī)均勻涂覆在泡沫鎳上；

(6)將步驟(5)所得的泡沫鎳，放入加熱箱里以120℃干燥10h；

(7)待步驟(6)干燥完成之后，用切片機(jī)將步驟(7)所得的泡沫鎳切成直徑為1cm、厚0.1～0.5cm的電極片；

(8)將步驟(7)所得的片狀電極片，用壓片機(jī)壓片，最終制得ni-ces2/活性炭超級(jí)電容器電極。

本實(shí)施例中制備的ce/c復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料，其比電容可以達(dá)到369f/g；在恒流充放電3000次后，比電容仍然保持98.4％以上。

實(shí)施例9

(1)將ce(oh)3、石墨烯按質(zhì)量比1∶5為混合均勻后，加入40ml去離子水，在水浴攪拌反應(yīng)11h后，將上述液體移至水熱反應(yīng)釜里，在200℃反應(yīng)3天，經(jīng)過(guò)濾洗滌后，干燥備用；

(2)用電子天平稱取2.10g步驟(1)制備而成的ce(oh)3/石墨烯復(fù)合材料；

(3)用電子天平稱取0.350g導(dǎo)電聚合物以及與之等質(zhì)量的粘合劑；

(4)將步驟(2)和步驟(3)所稱得的ce(oh)3-石墨烯復(fù)合材料、導(dǎo)電聚合物及粘合劑以質(zhì)量比為6∶1∶1的比例混合，加入乙醇后，用攪拌機(jī)攪拌2h；

(5)將步驟(4)所得的均勻液體，用涂覆機(jī)均勻涂覆在泡沫鎳上；

(6)將步驟(5)所得的泡沫鎳，放入加熱箱里以120℃干燥12h；

(7)待步驟(6)干燥完成之后，用切片機(jī)將步驟(7)所得的泡沫鎳切成直徑為1cm、厚0.1～0.5cm的電極片；

(8)將步驟(7)所得的片狀電極片，用壓片機(jī)壓片，最終制得ni-ce(oh)3/石墨烯超級(jí)電容器電極。

本實(shí)施例中制備的ce/c復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料，其比電容可以達(dá)到278f/g；在恒流充放電3000次后，比電容仍然保持97.9％以上。

實(shí)施例10

(1)將ces2、石墨烯按質(zhì)量比為1∶5混合均勻后，加入70ml去離子水，在水浴攪拌反應(yīng)12h后，將上述液體移至水熱反應(yīng)釜里，在300℃下反應(yīng)5天，經(jīng)過(guò)濾洗滌后，干燥備用；

(2)用電子天平稱取0.850g步驟(1)制備而成的ces2/石墨烯復(fù)合材料；

(3)用電子天平稱取0.106g導(dǎo)電聚合物以及與之等質(zhì)量的粘合劑；

(4)將步驟(2)和步驟(3)所稱得的ces2/石墨烯復(fù)合材料、導(dǎo)電聚合物及粘合劑以質(zhì)量比為6∶1∶1的比例混合，加入乙醇后，用攪拌機(jī)攪拌3h；

(5)將步驟(4)所得的均勻液體，用涂覆機(jī)均勻涂覆在泡沫鎳上；

(6)將步驟(5)所得的泡沫鎳，放入加熱箱里以120℃干燥12h；

(7)待步驟(6)干燥完成之后，用切片機(jī)將步驟(7)所得的泡沫鎳切成直徑為1cm、厚0.1～0.5cm的電極片；

(8)將步驟(7)所得的片狀電極片，用壓片機(jī)壓片，最終制得ni-ces2/石墨烯超級(jí)電容器電極。

本實(shí)施例中制備的ce/c復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料，其比電容可以達(dá)到673f/g；在恒流充放電3000次后，比電容仍然保持98.8％以上。

比較例1

與實(shí)施例1的差別在于，將活性物質(zhì)ce(oh)4替換為ceo2，以氫氧化鈰/活性炭復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料。

結(jié)果表明，該電極材料比電容僅為55f/g；在恒流充放電3000次后，比電容僅為70％以上。

比較例2

與實(shí)施例4的差別在于，將ce(oh)3替換為ceo2，以ce(oh)3/石墨烯復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料。

結(jié)果表明，該電極材料比電容可以達(dá)到20f/g；在恒流充放電3000次后，比電容僅為50％以上。

實(shí)施例3

與實(shí)施例5的差別在于，將ces2替換為ceo2，以ces2/石墨烯復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料。

結(jié)果表明，該電極材料比電容可以達(dá)到10f/g；在恒流充放電3000次后，比電容僅為50％以上。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。