[發明專利]一種制備非對稱纖維超級電容器電極的方法

有效

• 申請號: 202011074525.1
• 申請日: 2020-10-09
• 公開（公告）號: CN112233913B
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發明（設計）人: 祝方明;謝秀麗;朱宇瓊;鄒寶康
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/40;H01G11/46;H01G11/24;H01G11/26
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 趙崇楊

本發明提供了一種制備非對稱纖維超級電容器電極的方法及其制備電極、超級電容器，以單根親水碳纖維(CF)為基底，在表面生長Co₃O₄陣列，得到Co₃O₄/CF陣列，具有豐富的比表面積，便于測試中與電解液接觸，有利于快速的反應，為離子的傳導提供良好的通道，從而提高非對稱纖維超級電容器的電化學性能；此外，在單根親水的CF表面制造豐富的多孔結構，得到的多孔碳纖維(PCF)同樣具有豐富的比表面積；Co₃O₄/CF和PCF電極具有良好的穩定性，優異的比電容；Co₃O₄/CF和PCF分別作為非對稱纖維超級電容器的正負極，無額外的粘結劑，得到的非對稱纖維超級電容器(ASC)具有較寬的工作電壓窗口和優異的能量密度和功率密度。

技術領域

本發明屬于非對稱纖維超級電容器技術領域，具體地，涉及一種制備非對稱纖維超級電容器電極的方法及其制備的電極、超級電容器。

背景技術

超級電容器以其獨特的性能和巨大的發展潛力在眾多電源領域引起了廣泛的關注(J.Am.Chem.Soc.2018,140,10941-10945)。根據儲能機理，一般將超級電容器分為雙電層超級電容器和贗電容超級電容器。雙電層超級電容器通常由多孔碳材料組成，可以在電極/電解質的豐富界面上物理積聚大量電荷，這一特性使雙電層超級電容器能夠快速充放電，同時具有優異的循環穩定性。然而，雙電層超級電容器的比電容相對較低，因此能量密度不理想。而過渡金屬氧化物和導電聚合物組成的贗電容超級電容器，其比電容和能量密度通常高于雙電層超級電容器，但其循環壽命并不理想。因此，非對稱超級電容器(ASC)由于結合了雙電層超級電容器和贗電容超級電容器的優點，近年來得到了廣泛的研究(Adv.Funct.Mater.2018,28,1707247)。典型的非對稱超級電容器(ASC)由贗電容型正極和雙電層超級電容器負極構成，這種布局使非對稱超級電容器(ASC)具有良好的電化學性能，如較寬的工作電壓窗口、合適的電容、較高的能量密度和功率密度。

貴金屬氧化物RuO₂等作為常用的非對稱超級電容器(ASC)的電極，具有較好的電化學電容性質，但其價格昂貴并且有毒性。由于四氧化三鈷(Co₃O₄)和氧化錳(MnOx)等同樣具有優異的電化學性能，因此可作為貴金屬氧化物的替代品，近年來在各種儲能器件中引起了越來越多的關注(J.Am.Chem.Soc.2014,136,13925-13931)。研究者們研究了不同納米結構和形貌的四氧化三鈷，以獲得非對稱超級電容器優異的性能(ACS Nano 2015,9,6288-6296)。

公開號為CN105332097A的中國專利提供了一種利用靜電紡絲技術制備的負載Co₃O₄納米顆粒的碳纖維復合材料，是將鈷源、聚乙烯吡咯烷酮和N,N-二甲基甲酰胺混合得到前驅體紡絲液，利用靜電紡絲技術得到前驅體纖維，然后在惰性氣體中煅燒得到Co₃O₄顆粒和碳纖維的復合材料。而這樣的復合材料中，有一部分CO₃O₄暴露在碳纖維表面，另外一部分CO₃O₄是鑲嵌在碳纖維內部，無法充分與電解液接觸，不能起到活性物質的作用。此外，還存在一些問題阻礙了Co₃O₄在非對稱纖維超級電容器中的進一步應用，如現有制備四氧化三鈷的方法都很復雜，而且涉及到污染試劑；其次，額外的粘結劑和導電劑不易于電子的轉移和離子擴散，從而阻礙四氧化三鈷的電化學性能，且未集成的電極很容易散架，不適合制作非對稱纖維超級電容器。

發明內容