/3dmg非對稱超級電容器及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及電容器制備技術(shù)領(lǐng)域中的一種基于三維單孔石墨烯/氫氧化鎳/三維多孔石墨烯3DSG/Ni(0H)2/3DMG非對稱超級電容器及制備方法。本發(fā)明可用于儲(chǔ)能元件的制備。
【背景技術(shù)】
[0002]超級電容具有循環(huán)壽命長，充放電時(shí)間短，溫度特性好，免維護(hù)和綠色環(huán)保等特點(diǎn)。超級電容包括雙電層型超級電容、贗電容型超級電容和非對稱型超級電容，非對稱性超級電容具有較高的電容量，幾乎是具有相同碳電極的對稱型雙電層電容器容量的兩倍。氫氧化鎳具有高的理論電容量及低的造價(jià)，被廣泛的應(yīng)用于超級電容及電池等儲(chǔ)能器件中。
[0003]三峽大學(xué)申請的專利“一種非對稱超級電容器及其制備方法”(申請?zhí)?01510057777.6，公布號CN 104795243A)中公開了一種非對稱超級電容器及其制備方法。該電容器包括正極極片、負(fù)極極片、電解液、隔膜以及封裝膜;正極極片為氫氧化鎳，基底為泡沫鎳或鈦片，其特征是負(fù)極活性材料為鎳鐵層狀雙金屬氫氧化物，基底為泡沫鎳或鈦片，電解液采用氫氧化鈉、氫氧化鉀、硫酸鈉或硫酸鉀溶液。該非對稱超級電容器的制備方法，包括正極極片、負(fù)極極片的制備，電解液的配置以及電容器的組裝。該非對稱超級電容器雖然電壓窗口較寬，比電容較高，制備方法簡單易操作，成本低。但是，該方法仍然存在的不足之處是:其一，該電容器采用氫氧化鎳作為正極極片，氫氧化鎳單一作為電極時(shí)無法高效地進(jìn)行電荷的傳輸反應(yīng)，使在襯底接觸電極時(shí)其電容大大降低;其二，該電容器采用單一的氫氧化鎳作為正極極片，電循環(huán)效率不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種以三維石墨烯、氫氧化鎳為主要原料制備基于三維單孔石墨烯/氫氧化鎳/三維多孔石墨烯3DSG/Ni(0H)2/3DMG非對稱超級電容器的方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體思路是:首先，制備三維單孔石墨烯/氫氧化鎳3DSG/Ni (OH)2作為正極;然后，制備三維多孔石墨烯/氫氧化鎳3DMG/Ni (OH)2作為負(fù)極;最后將正極和負(fù)極組裝起來，充入電解質(zhì)溶液氫氧化鉀，正負(fù)極之間用隔膜隔開，制備得到基于3DSG/Ni(0H)2/3DMG非對稱超級電容器。
[0006]本發(fā)明的基于3DSG/Ni(0H)2/3DMG非對稱超級電容器包括正極，負(fù)極，電解質(zhì)溶液和隔膜，正極采用3DSG/Ni (OH)2復(fù)合材料，負(fù)極采用3DMG/Ni (OH)2復(fù)合材料。
[0007]本發(fā)明制備3DSG/Ni(0H)2/3DMG非對稱超級電容器方法的具體步驟如下:
[0008](I)基底預(yù)處理:
[0009](Ia)利用壓平機(jī)將2片厚度為1.6mm的泡沫鎳壓薄，得到2片厚度為0.25mm的泡沫鎳薄片；
[0010](Ib)用乙醇、去離子水、5M HCl溶液分別清洗2片泡沫鎳薄片后，再用去離子水分別將2片泡沫鎳薄片清洗干凈，將2片泡沫鎳薄片分別作為正極基底泡沫鎳薄片和負(fù)極基底泡沫鎳薄片；
[0011](2)制備負(fù)極基底骨架:
[0012](2a)采用電化學(xué)三電極法，將負(fù)極基底泡沫鎳薄片置于CuSO4.5H20和HBO3的混合溶液中，加電化學(xué)沉積電壓，沉積50?150分鐘，得到負(fù)極基底覆蓋銅的泡沫鎳薄片；
[0013](2b)將覆蓋銅的泡沫鎳薄片置于化學(xué)氣相沉積CVD管式爐的恒溫區(qū)中，通入5sCCm氬氣和Isccm氫氣，進(jìn)行1100°C的高溫退火0.5?2小時(shí)，得到負(fù)極基底銅鎳合金；
[0014](2c)采用電化學(xué)三電極法，將負(fù)極基底銅鎳合金置于CuSO4.5H20和HBO3的混合溶液中，加腐蝕電壓，腐蝕三維銅鎳合金骨架500?1500秒，得到具有多通道孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的負(fù)極基底骨架三維多孔銅鎳合金；
[0015](3)制備自支撐正負(fù)極基底:
[0016](3a)采用化學(xué)氣相沉積法，將三維多孔銅鎳合金骨架和負(fù)極基底泡沫鎳薄片分別置于化學(xué)氣相沉積CVD系統(tǒng)管式爐的恒溫區(qū)內(nèi)，通入20sCCm氬氣和氫氣的混合氣體5?10分鐘；
[0017](3b)將管式爐加熱至600°C時(shí)，通入2?20sccm乙烯，保持氣氛不變，生長5?10個(gè)小時(shí)；
[0018](3c)采用迅速降溫的方式，將管式爐溫度降為室溫后，取出管式爐中的樣品，得到負(fù)極基底3DMG/銅鎳合金和正極基底3DSG/泡沫鎳薄片；
[0019](3d)分別將負(fù)極基底3DMG/銅鎳合金和正極基底3DSG/泡沫鎳薄片置于0.5?2M氯化鐵和I?3M鹽酸的混合溶液中，保持混合溶液溫度為60?80°C，腐蝕24小時(shí)，得到自支撐負(fù)極基底3DMG和正極基底3DSG;
[0020](4)制備正負(fù)極:
[0021](4a)分別將自支撐負(fù)極基底3DMG和正極基底3DSG用去離子水沖洗干凈，得到負(fù)極基底3DMG和正極基底3DSG ；
[0022](4b)將負(fù)極基底3DMG和正極基底3DSG分別置于4M硝酸溶液中浸泡兩個(gè)小時(shí)，分別取出后用去離子水清洗干凈，得到負(fù)極基底3DMG和正極基底3DSG;
[0023](4c)將氯化鎳和尿素的混合溶液放入高壓釜中，分別將負(fù)極基底3DMG和正極基底3DSG浸入氯化鎳和尿素的混合溶液中，生長20?30分鐘；
[0024](4d)分別取出浸泡在氯化鎳和尿素的混合溶液中的負(fù)極基底3DMG和正極基底3DSG，自然降溫至室溫后，分別用去離子水沖洗干凈，并在真空干燥箱60°C下烘干，得到正極3DSG/Ni (0H) 2復(fù)合材料和負(fù)極3DMG/Ni (OH) 2復(fù)合材料；
[0025](5)組裝電容器:
[0026]將正極3DSG/Ni(0H)2復(fù)合材料和負(fù)極3DMG/Ni(0H)2復(fù)合材料組裝起來，充入3M氫氧化鉀溶液作為電解質(zhì)溶液，中間用隔膜隔開，得到3DSG/Ni (OH) 2/3DMG非對稱超級電容器。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0028]第一、由于本發(fā)明的電容器正極采用3DSG/Ni(0H)2復(fù)合材料，負(fù)極采用3DMG/Ni(OH)2復(fù)合材料，克服了現(xiàn)有技術(shù)中電容器電極材料比表面積低的不足，使得本發(fā)明具有高Ni (OH)2利用率，高導(dǎo)電性的的優(yōu)點(diǎn)。
[0029]第二、由于本發(fā)明制備電容器的方法中直接在具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的三維石墨烯骨架上生長氫氧化鎳，制備三維石墨烯/Ni (OH)2復(fù)合材料，克服了現(xiàn)有技術(shù)中電容器采用氫氧化鎳作為電極時(shí)無法高效地進(jìn)行電荷的傳輸，使在襯底接觸電極時(shí)其電容大大降低的不足，使得本發(fā)明具有多重傳輸通道，高電荷和離子傳輸效率，高電容量的優(yōu)點(diǎn)。
[0030]第四、由于本發(fā)明制備電容器的方法中直接在三維石墨烯骨架上生長氫氧化鎳，克服了現(xiàn)有技術(shù)中電容器采用單一的氫氧化鎳作為正極極片，電循環(huán)效率不高的不足，使得本發(fā)明具有高循環(huán)效率的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明電容器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2是本發(fā)明電容器的制備流程圖；
[0033]圖3是本發(fā)明中3DMG/Ni(0H)2復(fù)合材料在20A/g的掃描電流密度下，循環(huán)次數(shù)與比電容的關(guān)系曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
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[0034]為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0035]參照附圖1，圖中三維單孔石墨烯/氫氧化鎳為正極，三維多孔石墨烯/氫氧化鎳為負(fù)極，氫氧化鉀為電解質(zhì)溶液，隔膜在正負(fù)極中間，被電解質(zhì)溶液包圍。
[0036]參照附圖2，本發(fā)明具體步驟如下:
[0037]步驟1:基底預(yù)處理。
[0038]利用壓平機(jī)將2片厚度為1.6mm的泡沫鎳壓薄，得到2片厚度為0.25mm的泡沫鎳薄片，然后用乙醇、去離子水、5M HCl溶液分別清洗2片泡沫鎳薄片后，最后用去離子水分別將2片泡沫鎳薄片清洗干凈，將2片泡沫鎳薄片分別作為正極基底泡沫鎳薄片和負(fù)極基底泡沫鎳薄片。
[0039]步驟2:制備負(fù)極基底