一種製造電化學電容器複合電極材料的方法

2023-10-04 08:09:39 5

一種製造電化學電容器複合電極材料的方法
【專利摘要】本發明實施例公開了一種製造電化學電容器複合電極材料的方法，包括：將中間相炭微球活化，形成活化中間相炭微球；將所化中間相炭微球與噻吩單體加入去離子水中並分散，獲得活化中間相炭微球和噻吩單體混合分散液；在活化中間相炭微球和噻吩單體混合分散液中加入氧化劑並反應，獲得聚噻吩/中間相炭微球複合材料。本發明的實施例中提供了製造電化學電容器複合電極材料的方法，用由該方法製造的複合電極材料作為電極材料製成的電化學電容器具有穩定性好、比容量高、循環壽命長等優點。
【專利說明】一種製造電化學電容器複合電極材料的方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及電子材料【技術領域】，尤其是涉及一種製造電化學電容器複合電極材料的方法。
【背景技術】
[0002]電化學電容器又被稱為超級電容器，或是法拉電容，是一種介於高功率密度的電容器和高能量密度的二次電池之間的新型儲能元器件。其具有快速充放電速度、高容量、低成本、長壽命、無汙染等優點，是當代電子元器件發展的一個裡程碑。
[0003]電化學電容器按原理分為雙電層電容器及法拉第贗電容器，前者儲能機理是依靠固態電極和電解液兩相之間界面處所產生的正電荷與負電荷分布層，自發形成雙電層；後者是在電極表面或體相中的二維或準二維空間上，電活性物質進行欠電位沉積，發生高度可逆的化學吸附/脫附或氧化/還原反應，產生與電極充電電位有關的電容。
[0004]雙電層電容器的典型材料是碳基材料，包括活性炭、碳納米管、石墨烯、富勒烯、石墨、中間相炭微球、活性炭纖維、炭氣凝膠等，而法拉第贗電容器的活性材料分為過渡金屬氧化物與導電聚合物，包括聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯、氧化釕、二氧化錳等等。其中中間相炭微球的中孔孔容含量高達60%以上，且其球體外存在許多官能團，而具有較大的表面活性和導電性，是一種新型的電化學電容器活性材料。

【發明內容】

[0005]本發明的目的之一是提供一種製造電化學電容器複合電極材料的方法，用該複合電極材料作為電極材料製成的電化學電容器具有高穩定性、高比容量、高循環壽命等優點。
[0006]本發明公開的技術方案包括:
提供了一種製造電化學電容器複合電極材料的方法，其特徵在於，包括:步驟A:將中間相炭微球活化，形成活化中間相炭微球；步驟B:將所述活化中間相炭微球與噻吩單體加入去離子水中並分散，獲得活化中間相炭微球和噻吩單體混合分散液；步驟C:在所述活化中間相炭微球和噻吩單體混合分散液中加入氧化劑並反應，獲得聚噻吩/中間相炭微球複合材料。
[0007]本發明的一個實施例中，所述步驟A包括:將濃硝酸與所述中間相炭微球混合，並且60攝氏度下回流4小時，然後清洗並烘乾；將所述中間相炭微球在800至1000攝氏度下活化2至3小時；將活化後的所述中間相炭微球清洗並乾燥後，研磨2至4小時，獲得所述活化中間相炭微球。
[0008]本發明的一個實施例中，所述濃硝酸與所述中間相炭微球的質量比為3:1至6:1。
[0009]本發明的一個實施例中，所述步驟B包括:將所述活化中間相炭微球和所述噻吩單體加入去離子水中並且超聲分散3至5小時。
[0010]本發明的一個實施例中，所述中間相炭微球和所述噻吩單體的質量比為10:1至1:10，所述去離子水的質量為所述中間相炭微球和所述噻吩單體的質量之和的10倍。[0011]本發明的一個實施例中，所述步驟C包括:在所述活化中間相炭微球和噻吩單體混合分散液中加入氧化劑，並在室溫下攪拌反應24小時。
[0012]本發明的一個實施例中，所述氧化劑與所述噻吩單體的質量比為3:1至6:1。
[0013]本發明的一個實施例中，所述氧化劑為氯化鐵、對甲苯磺酸鐵或者過硫酸氨。
[0014]本發明的一個實施例中，所述步驟C之後還包括:用稀鹽酸、去離子水和丙酮分別清洗所述聚噻吩/中間相炭微球複合材料並在60攝氏度下真空乾燥24小時，然後球磨2至4小時。
[0015]本發明的實施例中提供了製造電化學電容器複合電極材料的方法，用由該方法製造的複合電極材料作為電極材料製成的電化學電容器具有穩定性好、比容量高、循環壽命長等優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發明一個實施例的製造電化學電容器複合電極材料的方法的流程示意圖。
[0017]圖2是顯示用根據本發明的方法製造的複合電極材料作為電極材料製造的電化學電容器的實測參數的圖。
【具體實施方式】
[0018]下面將結合附圖詳細說明本發明的實施例的製造電化學電容器複合電極材料的方法的具體步驟。
[0019]本發明的實施例中，一種製造電化學電容器複合電極材料的方法的步驟如圖1所示，下面將具體說明其中的各個步驟。
[0020]步驟10:製備活化中間相炭微球。
[0021 ] 本發明的實施例中，可以首先將中間相炭微球活化，形成活化中間相炭微球。
[0022]例如，本發明的實施例中，可以將濃硝酸與中間相炭微球混合，並且60攝氏度下回流4小時，然後清洗並烘乾；然後將中間相炭微球在800至1000攝氏度下活化2至3小時；最後將活化後的中間相炭微球清洗並乾燥後，研磨2至4小時，從而獲得活化中間相炭微球。
[0023]這裡，濃硝酸的可以是69%的濃硝酸。
[0024]這裡，濃硝酸和中間相炭微球的質量比可以為3:1至6:1。
[0025]例如，一個實施例中，將69%的濃硝酸和中間相炭微球按質量比3:1-6:1的比例攪拌混合均勻，在60°C下回流4小時，加入足量的去離子水清洗，並在60°C下真空烘乾4-8小時，得到去除雜質的中間相炭微球；然後將酸處理後的中間相炭微球放入管式爐中，在80(Tl00(rC溫下度活化2-3小時，並通入氮氣保護。待溫度降到室溫，採用lmol/L稀硝酸及去離子水分別清洗3飛次後抽濾，在60°C下真空乾燥10-12小時，球磨2-4小時，獲得活化中間相炭微球。
[0026]步驟12:製備活化中間相炭微球和噻吩單體混合分散液。
[0027]獲得了活化中間相炭微球後，在步驟12中，可以將活化中間相炭微球與噻吩單體加入去離子水中並分散，從而獲得活化中間相炭微球和噻吩單體混合分散液。[0028]本發明的實施例中，這裡，可以是將活化中間相炭微球和噻吩單體加入去離子水中並且超聲分散3至5小時。
[0029]這裡，「超聲分散」是指向加入了活化中間相炭微球和噻吩單體的去離子水中發射超聲波使得活化中間相炭微球和噻吩單體在去離子水中分散。
[0030]本發明的實施例中，加入去離子水中的中間相炭微球和噻吩單體的質量比可以為10:1至1:10，並且去離子水的質量可以為中間相炭微球和噻吩單體的質量之和的10倍。
[0031]步驟14:在分散液中加入氧化劑並反應。
[0032]獲得了活化中間相炭微球和噻吩單體混合分散液之後，步驟14中，可以在該活化中間相炭微球和噻吩單體混合分散液中加入氧化劑，在氧化劑作用下，活化中間相炭微球和噻吩單體混合分散液中的噻吩單體發生聚合反應形成聚噻吩(PED0T)，並且該聚噻吩包裹在中間相炭微球表面和內部，這樣，形成了聚噻吩包裹在中間相炭微球表面和內部的聚噻吩/中間相炭微球複合材料。
[0033]上述的這種聚噻吩/中間相炭微球複合材料既具有中間相炭微球的具有較大的表面活性和導電性的特點，也具有聚噻吩的穩定性，其結合了聚噻吩和中間相炭微球二者的優點，用這種複合材料作為電極材料製造電化學電容器，實現了雙電層與贗電容的有機複合，可以有效提高電化學電容器的比容量及穩定性。
[0034]本發明的實施例中，該步驟可以是:在活化中間相炭微球和噻吩單體混合分散液中加入氧化劑，並在室溫下攪拌反應12至24小時。
[0035]本發明的實施例中，加入的氧化劑與噻吩單體的質量比可以是3:1至6:1。
[0036]本發明的實施例中，氧化劑可以是氯化鐵、對甲苯磺酸鐵或者過硫酸氨，等等。
[0037]本發明的實施例中，步驟14之後還可以包括:用稀鹽酸、去離子水和丙酮分別清洗該聚噻吩/中間相炭微球複合材料並在60至100攝氏度下真空乾燥12至24小時，然後球磨2至4小時。
[0038]下面具體描述本發明的實施例的幾個實例。
[0039]實例1:
(1)將20g濃硝酸(69%)與5g中間相炭微球，攪拌混合均勻，在60°C下回流4h，加入足量的去離子水清洗,並60°C真空烘乾6h，得到去除雜質的中間相炭微球；
(2)將酸處理後的中間相炭微球放入管式爐中，1000°C溫下度活化2h，並通入氮氣保護。待溫度降到室溫，採用lmol/L稀硝酸及去離子水分別清洗3飛次後抽濾，60°C真空乾燥12h，球磨4h，獲得活化中間相炭微球；
(3)去上述活化中間相炭微球0.5g與2g噻吩單體分別加入25ml去離子水中超聲分散
5h ；
(4)在上述分散液中加入Sg對甲苯磺酸鐵，室溫下磁力攪拌反應24h；
(5)將上述反應產物用稀鹽酸、去離子水、丙酮分別清洗2?3次，將濾餅在60°C真空乾燥24h，球磨4h，獲得聚噻吩/中間相炭微球複合材料；
(6)將最終產物與乙炔黑、聚四氟乙烯按照85:10:5的比例混合均勻，在20MPa壓力下壓到泡沫鎳上形成電極，單只電極質量約為50mg，得到樣品I。
[0040]實例2:
(I)將20g濃硝酸(69%)與5g中間相炭微球，攪拌混合均勻，在60°C下回流4h，加入足量的去離子水清洗,並60°C真空烘乾6h，得到去除雜質的中間相炭微球；
(2)將酸處理後的中間相炭微球放入管式爐中，1000°C溫下度活化2h，並通入氮氣保護。待溫度降到室溫，採用lmol/L稀硝酸及去離子水分別清洗3飛次後抽濾，60°C真空乾燥12h，球磨4h，獲得活化中間相炭微球；
(3)去上述活化中間相炭微球I與Ig噻吩單體分別加入20ml去離子水中超聲分散5h；
(4)在上述分散液中加入4g對甲苯磺酸鐵，室溫下磁力攪拌反應24h；
(5)將上述反應產物用稀鹽酸、去離子水、丙酮分別清洗2?3次，將濾餅在，60°C真空乾燥24h，球磨4h，獲得聚噻吩/中間相炭微球複合材料；
(6)將最終產物與乙炔黑、聚四氟乙烯按照85:10:5的比例混合均勻，在20MPa壓力下壓到泡沫鎳上形成電極，單只電極質量約為50mg得到樣品2。
[0041]實例3:
(1)將20g濃硝酸(69%)與5g中間相炭微球，攪拌混合均勻，在60°C下回流4h，加入足量的去離子水清洗,並60°C真空烘乾6h，得到去除雜質的中間相炭微球；
(2)將酸處理後的中間相炭微球放入管式爐中，1000°C溫下度活化2h，並通入氮氣保護。待溫度降到室溫，採用lmol/L稀硝酸及去離子水分別清洗3飛次後抽濾，60°C真空乾燥12h，球磨4h，獲得活化中間相炭微球；
(3)去上述活化中間相炭微球2g與0.5g噻吩單體分別加入25ml去離子水中超聲分散
5h ；
(4)在上述分散液中加入2g對甲苯磺酸鐵，室溫下磁力攪拌反應24h；
(5)將上述反應產物用稀鹽酸、去離子水、丙酮分別清洗2?3次，將濾餅在，60°C真空乾燥24h，球磨4h，獲得聚噻吩/中間相炭微球複合材料；
(6)將最終產物與乙炔黑、聚四氟乙烯按照85:10:5的比例混合均勻，在20MPa壓力下壓到泡沫鎳上形成，單只電極質量約為50mg得到樣品3。
[0042]分別在前述樣品中選取質量相近的電極片作為正負極，採用lmol/L的硫酸為電解液，聚丙烯膜為隔膜，組裝電容器模型，充放電電流為100mA/g，循環1000次，實驗結果如圖2所示。
[0043]從圖2可以看出，隨著中間相炭微球所佔比例的增加，電化學電容器穩定性增加，而隨著聚噻吩所佔比例的增加，電化學電容器容量增大。
[0044]以上通過具體的實施例對本發明進行了說明，但本發明並不限於這些具體的實施例。本領域技術人員應該明白，還可以對本發明做各種修改、等同替換、變化等等，這些變換隻要未背離本發明的精神，都應在本發明的保護範圍之內。此外，以上多處所述的「一個實施例」表示不同的實施例，當然也可以將其全部或部分結合在一個實施例中。
【權利要求】
1.一種製造電化學電容器複合電極材料的方法，其特徵在於，包括: 步驟A:將中間相炭微球活化，形成活化中間相炭微球； 步驟B:將所述活化中間相炭微球與噻吩單體加入去離子水中並分散，獲得活化中間相炭微球和噻吩單體混合分散液； 步驟C:在所述活化中間相炭微球和噻吩單體混合分散液中加入氧化劑並反應，獲得聚噻吩/中間相炭微球複合材料。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟A包括: 將濃硝酸與所述中間相炭微球混合，並且60攝氏度下回流4小時，然後清洗並烘乾； 將所述中間相炭微球在800至1000攝氏度下活化2至3小時； 將活化後的所述中間相炭微球清洗並乾燥後，研磨2至4小時，獲得所述活化中間相炭微球。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於:所述濃硝酸與所述中間相炭微球的質量比為 3:1 至 6:1。
4.如權利要求1或者2所述的方法，其特徵在於，所述步驟B包括:將所述活化中間相炭微球和所述噻吩單體加入去離子水中並且超聲分散3至5小時。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於:所述中間相炭微球和所述噻吩單體的質量比為10:1至1:10，所述去離子水的質量為所述中間相炭微球和所述噻吩單體的質量之和的10倍。
6.如權利要求1至5中任意一項所述的方法，其特徵在於，所述步驟C包括:在所述活化中間相炭微球和噻吩單體混合分散液中加入氧化劑，並在室溫下攪拌反應12至24小時。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述氧化劑與所述噻吩單體的質量比為3:1至 6:1。
8.如權利要求1或者6所述的方法，其特徵在於:所述氧化劑為氯化鐵、對甲苯磺酸鐵或者過硫酸銨。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟C之後還包括:用稀鹽酸、去離子水和丙酮分別清洗所述聚噻吩/中間相炭微球複合材料並在60至100攝氏度下真空乾燥12至24小時，然後球磨2至4小時。
【文檔編號】H01G9/042GK103440990SQ201310383591
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月29日 優先權日:2013年8月29日
【發明者】徐建華, 楊文耀, 張魯寧, 趙月濤, 楊亞傑 申請人:電子科技大學