[发明专利]基于聚丙烯酰胺凝胶电解质的碳基超级电容器及制备方法

说明书

[技术领域]

本发明涉及超级电容器技术领域，尤其涉及一种基于聚丙烯酰胺凝 胶电解质的碳基超级电容器及制备方法。

[背景技术]

超级电容器有着比传统电容器功率密度大和比充电电池功率密度 高的优点，而且可快速充放电，使用寿命长，是一种新型、高效、实用 的能量存储装置，有着广泛的应用前景。而电化学超级电容的关键在于 电极与电解质材料的选择。

凝胶电解质由于其与电极的良好接触性以及无电解质泄漏、高比能 量等优点成为当前的研究热点，它克服了例如液态电解质H₂SO₄和KOH 等腐蚀性强、污染环境、易气化等缺陷和在存储、运输和工作期间产生 的漏液现象，以及季铵盐(R₄N⁺)、ClO₄^-等电导率低的弱点；同时又克 服了全固态电解质与电极接触性差以及成膜工艺复杂等缺点。

一直以来，聚丙烯酰胺凝胶被广泛应用于生物、医学等领域，聚丙 烯酰胺凝胶电解质具有机械强度好，有弹性，透明，相对化学稳定，对 pH和温度变化不敏感，网络结构孔径大小易控制等优点，非常适合用于 电化学超级电容器的凝胶电解质。

电极材料也是超级电容器性能的重要因素，目前国内外使用的电极 材料例如活性碳具有较高的内阻，需要用很复杂的工艺进行电导率的提 升，而且容量小；碳气凝胶的合成工艺复杂，成本高昂；金属氧化物比 较昂贵，而且会造成污染，而碳纳米管作为一种新型的纳米材料，它具 有良好的导电性、大的比表面积、良好的化学惰性、适合电解质离子迁 移的孔隙(孔径一般＞2nm)，以及交互缠绕可形成纳米尺度的网络结构， 被认为是超级电容器尤其是高功率超级电容器的理想电极材料。

[发明内容]

本发明的目的在于克服现有技术的不足，采用聚丙烯酰胺凝胶做为 电解质、碳纳米管-碳纤维做为电极而制成的电化学超级电容器，用以进 行能量的存储。

为实现上述目的，本发明提出一种基于聚丙烯酰胺凝胶电解质的碳 基超级电容器的制备方法，包括如下制备步骤：(1)制备碳纳米管- 碳纤维复合材料电极；(2)装配电极与隔膜：将电极固定在电容器壳 体中，并在两电极中间放入隔膜，将电容器密封，并在电容器壳体预留 一个小孔；(3)抽真空排气：通过小孔进行抽真空排气；(4)制备聚 丙烯酰胺凝胶：将丙烯酰胺和交联剂甲叉双丙烯酰胺按16～19∶1的质 量比加水配置成总浓度在0.5％～10％的聚合物单体溶液，加入缓冲溶液 和引发剂，然后通过小孔注入电容器壳体内，再加入加速剂混匀，然后 在室温或光照条件下迅速聚合形成聚丙烯酰胺凝胶；(5)密封：最后 将电容器壳体上的小孔密封。

所述的缓冲溶液采用1×TBE缓冲液，由Tris碱、Na₂EDTA·2H₂O、 硼酸和水溶剂混合而成。

当采用室温下化学聚合形成聚丙稀酰胺凝胶时，引发剂采用浓度在 10％的(NH₄)₂S₂O₈溶液；当采用光照条件下光聚合形成聚丙稀酰胺凝胶时， 引发剂采用浓度为4％的核黄素溶液；

所述加速剂为N，N，N′，N′-四甲基乙二胺。

本发明同现有技术相比，用该方法制备的电化学超级电容器能快速 充放电、窗口电压范围宽，拥有范围在20F/g～50F/g的较高的比电容 量，并具有良好的电化学电容器性能。

[附图说明]

图1本发明的结构示意图。

图2为本发明实施例中所采用的碳纳米管-碳纤维复合材料的形貌 图。

图3为本发明实施例中所制备的超级电容器的循环伏安图。

图4为本发明实施例中所制备的超级电容器的充放电曲线图。

图5为本发明另一实施例中所采用的碳纳米管-碳纤维形貌图。

图6为本发明另一实施例中所制备的超级电容器的循环伏安图。

图7为本发明另一实施例中所制备的超级电容器的充放电曲线图。

参见附图1，1为电容器壳体；2为碳纳米管-碳纤维复合材料电极； 3为隔膜；4为聚丙烯酰胺凝胶电解质。

[具体实施例]

实施例1