一種航空用摻鎳碳基超級電容及其製備方法與流程
2023-10-21 03:03:32 2
本發明涉及超級電容技術領域，具體為一種航空用摻鎳碳基超級電容及其製備方法。
背景技術：
超級電容器是一種介於二次電池和傳統物理電容器之間的新型能源器件，兼有電容和電池的雙重功能，其功率密度遠高於普通電池(10～100倍)，能量密度遠高於傳統物理電容(>100倍)，與傳統電容器相比，超級電容器存儲的能量密度為傳統電容器的10倍以上；與電池相比，具有更高的功率密度、充放電時間短、充放電效率高、循環使用壽命長等優點。
超級電容可以作為可攜式儀器設備或數據記憶存儲系統的後備電源以及作為電動汽車的儲能部件或內燃機車的啟動電源在通信、工業等領域廣泛應用，也可以作為高脈衝電流發生器在航空、航天、國防等方面發揮重要作用。但是，傳統超級電容在使用時對環境溫度要求較高，不適合在低溫環境下使用，並且工作電壓一般不超過2v。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種航空用摻鎳碳基超級電容及其製備方法，通過本發明提供的航空用摻鎳碳基超級電容製備方法所製備的航空用摻鎳碳基超級電容工作溫度範圍寬、工作電壓高。
本發明是通過以下技術方案來實現：
一種航空用摻鎳碳基超級電容製備方法，包括如下步驟：
步驟1，製備泡沫鋁超級電容集流體；
步驟2，以活性炭粉末為碳質原料，煤焦油為粘結劑，硝酸鎳為催化劑，製備摻鎳活性炭；
步驟3，將摻鎳活性炭均勻的塗抹在泡沫鋁超級電容集流體上，得到超級電容電極片；
步驟4，將電解質鹽emiasf6加入pc和an的混合物中，得到電解液；其中，pc和an的混合物中pc的摩爾百分數為20％-40％；
步驟5，用所述電解液浸泡超級電容隔膜，在兩片超級電容電極片之間插入浸泡過的超級電容隔膜後，封裝超級電容，並注入所述電解液，得到航空用摻鎳碳基超級電容。
優選的，所述的步驟1具體包括如下步驟，
步驟11，將泡沫鋁切割之後，通過電火花打碳機去除泡沫鋁表面的氧化膜，得到第一泡沫鋁；
步驟12，將所述第一泡沫鋁放入1mol/l的naoh溶液中浸泡1h，除去油汙，得到第二泡沫鋁；
步驟13，將所述第二泡沫鋁放入超聲波清洗機中用去離子水洗滌10min，得到第三泡沫鋁；
步驟14，將所述第三泡沫鋁放入乾燥箱中，以100ml/min的速度通入氮氣，乾燥10min製得泡沫鋁超級電容集流體。
優選的，所述的步驟2具體包括如下步驟，
步驟21，以活性炭粉末為碳質原料，煤焦油為粘結劑，硝酸鎳為催化劑，加入蒸餾水，在研缽中充分攪拌，得到第一混合物；活性炭粉末、煤焦油和硝酸鎳的質量比為4:1:1；
步驟22，將所述第一混合物擠壓成型，並乾燥，得到第二混合物；
步驟23，將所述第二混合物放入800℃的電阻爐中碳化1h後，用900℃的水蒸氣作為活化劑活化2h，得到摻鎳活性炭。
優選的，所述的步驟3具體包括如下步驟，
步驟31，將所述摻鎳活性炭放置冷卻後，用研缽研磨，並用300目篩網篩出ac粉末；
步驟32，以ab為導電劑，ptfe為粘結劑，按照ac:ab:ptfe＝8:1:1的質量比例混合，得到電極材料混合物；
步驟33，將電極材料混合物均勻塗抹在泡沫鋁超級電容集流體上，放入100℃的乾燥箱乾燥1h，得到預製超級電容電極片；
步驟34，通過輥壓機，在10mpa的壓力下，將預製超級電容電極片壓實，得到超級電容電極片。
優選的，步驟4中，得到的電解液中emiasf6的濃度為2mol/l。
進一步，按照pc：an：emiasf6＝2.5ml：5ml：1g的比例在手套箱中製備電解液。
優選的，所述的步驟5具體包括如下步驟，
步驟51，將超級電容隔膜在電解液中浸泡1h；
步驟52，將兩個超級電容電極片相對設置，在兩個超級電容電極片之間插入浸泡過的超級電容隔膜，得到預製超級電容；
步驟53，在所述預製超級電容外部包裹鋁塑薄膜，用塑料薄膜封口機和電熱封口機進行封裝，並注入所述電解液。
進一步，所述超級電容隔膜為聚丙烯薄膜。
一種航空用摻鎳碳基超級電容，通過本所述任一製備方法所製備，包括密封設置的超級電容殼體、封裝在超級電容殼體內的泡沫鋁超級電容集流體、超級電容隔膜、摻鎳活性炭和電解液；將摻鎳活性炭均勻的塗抹在泡沫鋁超級電容集流體上形成超級電容電極片，兩個相對設置的超級電容電極片中插入超級電容隔膜；電解液填充在超級電容殼體內。
與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：
本發明使用有機電解液emiasf6/pc+an，將航空用摻鎳碳基超級電容的工作電壓提升至3v，並且能夠在零下40度的環境中工作，相比水系電解液提高了超級電容器的工作電壓和適用溫度範圍，並且避免了水性電解液存在的易洩露的問題和「爬鹼」現象；
進一步的，採用泡沫鋁製備超級電容集流體，相比於傳統超級電容用泡沫鎳或者不鏽鋼網作集流體，本發明提供的泡沫鋁超級電容集流體具有質量輕，比表面積大，不易燃燒且有較好的耐熱性、耐腐蝕性和耐機械衝擊性能；
進一步的，將用硝酸鎳做催化劑處理的活性炭粉末作為電極。用硝酸鎳做催化劑處理過的活性炭粉末比表面積大，粉末孔徑以中孔為主。在電極與電解液界面，不光有雙電層電容的存在，更因為nio的存在，還會在界面處產生法拉第準電容。而法拉第準電容要比雙電層電容大的多，所以用硝酸鎳做催化劑處理的活性炭粉末作為電極製作的超級電容，比電容要大的多。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的一種超級電容的結構示意圖。
圖中：1.超級電容殼體、2.泡沫鋁超級電容集流體、3.超級電容隔膜、4.摻鎳活性炭、5.電解液。
具體實施方式
下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。
一種航空用摻鎳碳基超級電容製備方法，包括如下步驟：
步驟1，製備泡沫鋁超級電容集流體；
其中，在製備泡沫鋁超級電容集流體時，首先，將泡沫鋁切割為指定尺寸，該指定尺寸為泡沫鋁超級電容集流體在實際應用中所需要的尺寸；然後通過電火花打碳機去除泡沫鋁表面的氧化膜，得到第一泡沫鋁；將所述第一泡沫鋁放入1mol/l的naoh溶液中浸泡1h，除去油汙，得到第二泡沫鋁；將所述第二泡沫鋁放入超聲波清洗機中用去離子水洗滌10min，得到第三泡沫鋁；最後，將所述第三泡沫鋁放入乾燥箱中，以100ml/min的速度通入氮氣，乾燥10min製得泡沫鋁超級電容集流體。
通常超級電容用泡沫鎳或者不鏽鋼網作集流體。由於泡沫鎳和不鏽鋼網的質量密度比泡沫鋁大的多，因此用這兩種材料做集流體的超級電容，比電容要比用泡沫鋁做集流體的超級電容小，並且泡沫鋁超級電容集流體質量輕，比表面積大，不易燃燒且有較好的耐熱性和耐腐蝕性，耐機械衝擊。
步驟2，以活性炭粉末為碳質原料，煤焦油為粘結劑，硝酸鎳為催化劑，製備摻鎳活性炭；
其中，以活性炭粉末為碳質原料，煤焦油為粘結劑，硝酸鎳為催化劑，加入蒸餾水，在研缽中充分攪拌，得到第一混合物；其中，活性炭粉末、煤焦油和硝酸鎳三者的質量比為8:2:2；將第一混合物擠壓成型，並乾燥，得到第二混合物；將第二混合物放入電阻爐中碳化1h後，用900℃的水蒸氣作為活化劑活化2h，得到摻鎳活性炭，其中，電阻爐溫度設置為800℃。
步驟3，將摻鎳活性炭均勻的塗抹在泡沫鋁超級電容集流體上，得到超級電容電極片；
其中，首先將摻鎳活性炭放置冷卻後，用研缽研磨，並用300目篩網篩出ac(摻鎳活性炭)粉末；以ab(乙炔黑)為導電劑，ptfe(聚四氟乙烯)為粘結劑，按照ac:ab:ptfe＝80:10:10的質量比例混合，得到電極材料混合物；將電極材料混合物均勻塗抹在泡沫鋁超級電容集流體上，放入乾燥箱乾燥1h，得到預製超級電容電極片，其中，乾燥箱的溫度為100℃；通過輥壓機，在10mpa的壓力下，將預製超級電容電極片壓實，得到超級電容電極片。
通常摻鎳的活性炭電極，需要先用沉澱法製備出ni的前驅體ni(oh)2,然後將ni(oh)2粉體放置乾燥箱中若干小時，得到nio。再將活性炭粉末與nio放置研缽中研磨。這樣製造出來的電容電極材料，不僅可能會造成活性炭表面孔徑分布不均，比表面積減小，而且活性炭和nio的特性體現不出來。
步驟4，將電解質鹽emiasf6(咪唑嗡六氟砷酸鹽)加入pc(碳酸丙烯酯)和an(乙腈)的混合物中，得到電解液；
其中，溶劑選用pc和an的混合物，pc和an的混合物中pc的摩爾百分數為20％-40％。電解質鹽的陽離子選用emi+(咪唑嗡鹽陽離子)，陰離子選用asf6－(六氟砷酸根陰離子)。
可選的，電解液的emiasf6的濃度為2mol/l。
可選的，按照pc：an：emiasf6＝10ml:20ml:4g的比例在手套箱中製備電解液。
通常以活性炭為電極的超級電容，選用的電解液多為水系電解液，尤以6mol/l的koh鹼性電解液為主。但koh鹼性電解液分解電壓小，通常不超過2v，這樣一來單體超級電容的工作電壓就很小，進而能量密度小。鹼性電解液由於其固有的特性，在零度以下便無法工作，而且鹼性電解液的「爬鹼」現象特別嚴重。如果在航空設備中電容使用鹼性電解液，如若遇到大氣湍流，超級電容發生機械碰撞，電解液很容易溢出腐蝕設備。用本發明中的方法配置出的電解液，可將摻鎳碳基超級電容的工作電壓提升至3v左右，大大提高了電容的能量密度，而且即使在零下40度的低溫環境中，超級電容仍然可以正常工作，同時在劇烈震動的環境下，也不用擔心電解液的洩露問題。採用有機電解液也不用擔心鹼性電解液常見的「爬鹼」現象。
步驟5，用所述電解液浸泡超級電容隔膜，在兩片超級電容電極片之間插入浸泡過的超級電容隔膜後，封裝超級電容，並注入所述電解液，得到航空用摻鎳碳基超級電容。
其中，首先，將超級電容隔膜在電解液中浸泡1h；將兩個超級電容電極片相對設置，在兩個超級電容電極片之間插入步驟51中浸泡過的超級電容隔膜，得到預製超級電容；在預製超級電容外部包裹鋁塑薄膜，用塑料薄膜封口機和電熱封口機進行封裝。
可選的，超級電容隔膜為聚丙烯薄膜。