[发明专利]具有碳纳米管电极的高功率密度超电容器

说明书

发明领域

本发明涉及能量储存装置。更具体地说，本发明涉及包括碳纳米管电极的超电容器。 

背景技术

纳米科学和纳米技术的迅速发展已经导致碳纳米管创新的发现。碳纳米管是一种新型的碳基材料的形式，呈现出许多独特的性能，如非凡的强度和优越的导电性和导热性，由此使它们成为许多重要应用中理想的首选。 

特别是，碳纳米管是制造电化学储能装置的引人注目的电极材料，因为它们具有较高的导电率、化学稳定性、较低的质量密度和较大的可及表面积。因此，近来已经提出对基于碳纳米管的电化学储能系统的广泛的潜在应用。例如，碳纳米管已经被制成为用于锂离子二次电池的电极、燃料电池中储存氢的电极和超电容器的电极。 

作为独特的储能装置，超电容器能够在较短的时间内提供大量的能量，即，高功率密度。实际上，超电容器的功率密度可以比二次电池的功率密度大许多倍，这使得它们成为如在混合电能和燃料电池供电的车辆中电涌功率输出不可或缺的。 

通常，超电容器包括两个被电解质分离的电极，其中每个电极进一步包括分布在金属衬底(集电器)上的薄层活性材料(例如，碳纳米管)。理论上，超电容器的最大功率密度用P_max＝V_t²/4R表示，其中V_t是初始电压，R是包括活性材料层中内电阻和活性材料层与集电器之间接触电阻的超电容器的等效串联电阻(ESR)。因此，减小ESR是获得高功率密度的关键。 

对于基于碳纳米管的高功率密度超电容器已经有多次成功展示。迄今为止，已经报道了分别使用多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的8kW/kg功率密度和20kW/kg功率密度。遗憾的是，单壁碳纳米管比多壁碳纳米管更加昂贵。而且，通常需要使用粘合剂来保持碳纳米管一起容置在这些超电容器中，这样通常就会导致活性材料层和集电器之间接触电阻的增大。此外，能够实现20kW/kg功率密度的这些超电容器在碳纳米管电极被构成后通常需要后继高温处理(1000℃)。 

因此，需要的是没有上述问题的高功率密度碳纳米管超电容器的制造方法。 

发明内容

本发明的一个实施方式提供一种使用了碳纳米管(CNT)的电容器电极的制造方法，其中该电极包括金属衬底和涂覆于金属衬底上的活性材料(CNT)层。更具体地说，该方法通过将CNT分散在溶剂中以形成悬浮液而开始。接着，使CNT在悬浮液中带正电荷。然后金属衬底被浸入在悬浮液中。接着，CNT使用电泳沉积(EPD)而被沉积在金属衬底上以便能在金属衬底上形成活性材料层。特别是，活性材料层在没有使用粘合剂的情况下形成在金属衬底上，这样能够有效地减小活性材料和金属衬底之间的接触电阻。 

在该实施方式的变换中，CNT可包括单壁CNT(SWNT)和多壁CNT(MWNT)。 

在该实施方式的变换中，该方法进一步包括在将CNT通过EPD沉积在金属衬底上后在氢气(H₂)环境中烘烤金属衬底上的活性材料层。 

在该实施方式的变换中，将CNT分散在溶剂中包括对溶剂和CNT混合物进行预定时间的声波处理。 

在该实施方式的变换中，使CNT在悬浮液中带正电荷包括将Mg(NO₃)·6H₂O加到悬浮液中作为电解液，该电解液能够为CNT充正电。 

在该实施方式的变换中，金属衬底耦连到恒压源的负极。 

在该实施方式的变换中，金属衬底能够水平、垂直或任意角度地放置在悬浮液中。 

在该实施方式的变换中，在CNT通过EPD沉积在金属衬底上的过程中，已充正电的CNT在所施加的电场下向上朝金属衬底移动，其中金属衬底水平放置在悬浮液中。 

I-V响应。注意，CV回路表示在CV回路每个端部时电压反向时非常快速的电流响应。理想电容性能的几乎是矩形和对称的I-V响应以及垂直矩形边显示具有可忽略的内电阻、界面电阻和接触电阻 注意，内电阻、界面电阻和接触电阻可以合成超电容器的等效串联电阻(ESR)。

在该实施方式的变换中，金属衬底包括镍、铜、铝、金或铂。 

在该实施方式的变换中，溶剂是乙醇。 

在该实施方式的变换中，活性材料可包括：碳纳米管、炭黑、碳纤维、活性炭，或任何上述的混合物。