全固態(tài)非對稱型超級電容器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氧化鎳和氧化鐵分別作為正負(fù)極的超級電容器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于石油資源日趨短缺，并且燃燒石油的內(nèi)燃機(jī)尾氣排放對環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重(尤其是在大、中城市)，人們都在研究替代內(nèi)燃機(jī)的新型能源裝置，已經(jīng)進(jìn)行混合動力、燃料電池、化學(xué)電池產(chǎn)品及應(yīng)用的研究與開發(fā)，取得了一定的成效。但是由于它們固有的使用壽命短、溫度特性差、化學(xué)電池污染環(huán)境、系統(tǒng)復(fù)雜、造價高昂等致命弱點(diǎn)，一直沒有很好的解決辦法。而超級電容器以其優(yōu)異的特性揚(yáng)長避短，可以部分或全部替代傳統(tǒng)的化學(xué)電池用于車輛的牽引電源和啟動能源，并且具有比傳統(tǒng)的化學(xué)電池更加廣泛的用途，正因?yàn)槿绱?，世界各?特別是西方發(fā)達(dá)國家)都不遺余力地對超級電容器進(jìn)行研究與開發(fā)。其中美國、日本和俄羅斯等國家不僅在研發(fā)生產(chǎn)上走在前面，而且還建立了專門的國家管理機(jī)構(gòu)(如:美國的USABC、日本的SUN、俄羅斯的REVA等)，制定國家發(fā)展計劃，由國家投入巨資和人力，積極推進(jìn)。就超級電容器技術(shù)水平而言，俄羅斯走在世界前面，其產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，并被第17屆國際電動車年會(EVS —17)評為最先進(jìn)產(chǎn)品，日本、德國、法國、英國、澳大利亞等國家也在急起直追，各國推廣應(yīng)用超級電容器的領(lǐng)域已相當(dāng)廣泛。在我國推廣使用超級電容器，能夠減少石油消耗，減輕對石油進(jìn)口的依賴，有利于國家石油安全；有效地解決城市尾氣污染和鉛酸電池污染問題；有利于解決戰(zhàn)車的低溫啟動問題。目前，國內(nèi)主要有10余家企業(yè)在進(jìn)行超級電容器的研發(fā)。但是現(xiàn)有超級電容器不能滿足高能量密度的要求并且在材料選取上比較單一，多數(shù)都是碳-碳、金屬氧化物-碳、金屬氫氧化物-碳組成的器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種全固態(tài)非對稱型超級電容器及其制備方法，合成工藝簡單，節(jié)約環(huán)保，價格低廉，產(chǎn)物形貌可控，在比電容、循環(huán)、能量密度和功率密度上也體現(xiàn)出了優(yōu)越的性能。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種全固態(tài)非對稱超級電容器，由正極、負(fù)極、隔膜、固態(tài)電解質(zhì)和集流體構(gòu)成，所述正極由氧化鎳納米片制成，負(fù)極由氧化鐵納米棒制成。
[0005]一種上述全固態(tài)非對稱型超級電容器的制備方法，包括以下步驟:
一、利用沉淀法或水熱法制備氫氧化鎳和羥基氧化鐵，使其生長在某種襯底上；
二、再將長在襯底上的氫氧化鎳和羥基氧化鎳在300~500°C下煅燒1~5h，得到氧化鎳和氧化鐵；
三、將氧化鎳和氧化鐵分別浸入到已經(jīng)制備好的電解液中5~20min ;
四、最后將兩種材料用隔膜隔開，封裝，放入烘箱40~80°C干燥8~15ho
[0006]上述制備方法中，所述的水熱法中所用鎳鹽為硝酸鎳和氯化鎳中的一種，鐵鹽為六水三氯化鐵和硫酸鐵的一種。
[0007]上述制備方法中，所述的襯底為碳布和泡沫鎳中的一種或兩種。
[0008]上述制備方法中，所述的電解液為聚乙烯醇、氯化鋰、氫氧化鋰、氫氧化鉀、氫氧化鈉中的一種或多種的混合物。
[0009]上述制備方法中，所述隔膜為纖維素隔膜、聚丙烯膜、隔膜紙和高分子半透膜中的一種。
[0010]本發(fā)明設(shè)計了一種新穎的基于氧化鎳和氧化鐵分別作為正負(fù)極的全固態(tài)非對稱超級電容器，具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、具有較高的能量密度和功率密度，將其串聯(lián)后可以點(diǎn)亮藍(lán)色的LED燈泡，體現(xiàn)了較好的實(shí)用性，如果加以改進(jìn)和優(yōu)化，以后有望成為理想的儲能器件。
[0011]2、選取的材料都是具有很好贗電容性能氧化物，充分打破了常規(guī)的組合形式。
[0012]3、具有廉價，環(huán)保、可回收性。
[0013]4、具有高的理論電容值和在堿性環(huán)境中很好的穩(wěn)定性。
[0014]5、由于其具有很好的能量密度和功率密度等優(yōu)點(diǎn)。
[0015]6、合成工藝和組裝工藝簡單，節(jié)約環(huán)保，價格低廉，有望成為未來理想的材料和器件在儲能上。
[0016]7、從電化學(xué)測試中可以得出，單一的氧化鎳和氧化鐵都存在一個較高的電容，分別是1.3F.cm'2和502 mF.cm 2，將其組裝成一個器件之后，仍然可以達(dá)到一個較高的電容，此外，這個器件再循環(huán)10000圈之后，其電容的保留效率仍可達(dá)到百分之八十以上，體現(xiàn)了優(yōu)越的循環(huán)壽命。
【附圖說明】
[0017]圖1是全固態(tài)非對稱超級電容器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明制備的全固態(tài)非對稱超級電容器的循環(huán)性能曲線；
圖3是本發(fā)明制備的全固態(tài)非對稱超級電容器的充放電曲線；
圖4是本發(fā)明制備的全固態(tài)非對稱超級電容器的應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0018]【具體實(shí)施方式】一:如圖1所示，本實(shí)施方式提供的全固態(tài)非對稱型超級電容器由正極1、負(fù)極2、隔膜3、固態(tài)電解質(zhì)和集流體4構(gòu)成，所述正極I由氧化鎳納米片制成，負(fù)極2由氧化鐵納米棒制成。本實(shí)施方式按照如下步驟制備上述全固態(tài)非對稱型超級電容器:
一、制備氧化鎳材料:稱取0.04mol硝酸鎳溶解在10 mL的蒸餾水中，再將30mL的氨水逐滴加入到硝酸鎳中，再將已經(jīng)清洗干凈的泡沫鎳放入反應(yīng)釜中。把配好的溶液倒入反應(yīng)釜，在90°C下反應(yīng)10 h，得到氫氧化鎳納米片。再將已經(jīng)制好的氫氧化鎳納米片在馬弗爐中300°C下煅燒4 h，得到氧化鎳納米片。
[0019]本實(shí)施方式制備的氧化鎳材料在以電流密度為4mA/cm2下，它的面積電容可高達(dá)
1.3F.cnf2，在以12mA/cm2電流密度下充放電循環(huán)3000次后，容量保持率為85.2%。
[0020]二:制備氧化鐵材料:稱取0.1mol的六水氯化鐵和0.1mol的硫酸鈉混合，攪拌30min。將混合溶液和碳布同時放置反應(yīng)釜，在120°C下反應(yīng)10h，得到羥基氧化鐵。再將羥基氧化鐵放到馬弗爐中在400°C煅燒3h，得到氧化鐵納米棒陣列。
[0021]本實(shí)施方式制備的氧化鐵材料在以電流密度為4mA/cm2下，它的面積電容可高達(dá)502 mF.CnT2，在以12mA/cm2電流密度下充放電循環(huán)3000次后，容量保持率為92.1%
三、制備器件:將氧化鎳和氧化鐵分別浸入到已經(jīng)制備好的聚乙烯醇/氫氧化鉀中1min ;氫氧化鉀的濃度為2 mol/L，之后將其拿出，氧化鐵做負(fù)極，氧化鎳做正極，中間用纖維素隔膜隔開。隔膜厚度在40 μm封裝，放入烘箱80°C干燥10 h。干燥之后取出，連接導(dǎo)線串聯(lián)進(jìn)行點(diǎn)LED燈，對單個器件進(jìn)行電化學(xué)測試，測試結(jié)果是單個的器件具有很好的循環(huán)性能，在循環(huán)10000圈之后，容量保留率為85% (圖2-4)。
[0022]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:將氧化鎳和氧化鐵分別浸入到已經(jīng)制備好的聚乙稀醇/氫氧化鋰中5min ;氫氧化鋰的濃度為I mol/L之后將其拿出，氧化鐵做負(fù)極，氧化鎳做正極，中間用纖維素隔膜隔開。厚度在40 μ m封裝，放入烘箱80°C干燥8 ho干燥之后取出，得到全固態(tài)超級電容器。
[0023]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:將氧化鎳和氧化鐵分別浸入到已經(jīng)制備好的聚乙稀醇/氫氧化鉀中8min ;氫氧化鉀的濃度為3mol/L，之后將其拿出，氧化鐵做負(fù)極，氧化鎳做正極，中間用隔膜紙隔開。厚度在40 μ m封裝，放入烘箱60°C干燥15 ho干燥之后取出，得到全固態(tài)超級電容器。
[0024]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:將氧化鎳和氧化鐵分別浸入到已經(jīng)制備好的聚乙稀醇/氫氧化鉀中15min ;氫氧化鉀的濃度為1.5mol/L之后將其拿出，氧化鐵做負(fù)極，氧化鎳做正極，中間用纖維素膜隔開。厚度在40 μ m封裝，放入烘箱80°C干燥12h。干燥之后取出，得到全固態(tài)超級電容器。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種全固態(tài)非對稱型超級電容器，由正極、負(fù)極、隔膜、固態(tài)電解質(zhì)和集流體構(gòu)成，其特征在于所述正極由氧化鎳納米片制成，負(fù)極由氧化鐵納米棒制成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固態(tài)非對稱型超級電容器，其特征在于所述隔膜為纖維素隔膜、聚丙烯膜、隔膜紙和高分子半透膜中的一種。3.—種權(quán)利要求1所述全固態(tài)非對稱型超級電容器的制備方法，其特征在于所述制備方法步驟如下: 一、利用沉淀法或水熱法制備氫氧化鎳和羥基氧化鐵，使其生長在某種襯底上； 二、再將長在襯底上的氫氧化鎳和羥基氧化鎳在300~500°C下煅燒1~5h，得到氧化鎳和氧化鐵； 三、將氧化鎳和氧化鐵分別浸入到電解液中5~20min ； 四、最后將兩種材料用隔膜隔開，封裝，放入烘箱40~80°C干燥8~15ho4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全固態(tài)非對稱型超級電容器的制備方法，其特征在于所述水熱法中，所用鎳鹽為硝酸鎳和氯化鎳中的一種，鐵鹽為六水三氯化鐵和硫酸鐵的一種。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全固態(tài)非對稱型超級電容器的制備方法，其特征在于所述襯底為碳布和泡沫鎳中的一種或兩種。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全固態(tài)非對稱型超級電容器的制備方法，其特征在于所述電解液為聚乙稀醇、氯化鋰、氫氧化鋰、氫氧化鉀、氫氧化鈉中的一種或多種的混合物。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全固態(tài)非對稱型超級電容器的制備方法，其特征在于所述隔膜為纖維素隔膜、聚丙烯膜、隔膜紙和高分子半透膜中的一種。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全固態(tài)非對稱型超級電容器及其制備方法，所述電容器由正極、負(fù)極、隔膜、固態(tài)電解質(zhì)和集流體構(gòu)成，所述正極由氧化鎳納米片制成，負(fù)極由氧化鐵納米棒制成。所述電容器的制備方法步驟如下：一、利用沉淀法或水熱法制備氫氧化鎳和羥基氧化鐵，使其生長在某種襯底上；二、再將長在襯底上的氫氧化鎳和羥基氧化鎳煅燒，得到氧化鎳和氧化鐵；三、將氧化鎳和氧化鐵分別浸入到電解液中；四、最后將兩種材料用隔膜隔開，封裝，放入烘箱干燥。本發(fā)明合成工藝簡單，節(jié)約環(huán)保，價格低廉，產(chǎn)物形貌可控，在比電容、循環(huán)、能量密度和功率密度上也體現(xiàn)出了優(yōu)越的性能。
【IPC分類】H01G11/46, H01G11/84
【公開號】CN105097292
【申請?zhí)枴緾N201510504079
【發(fā)明人】王振波, 張思文, 尹博思, 顧大明, 柯克
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年8月17日