[发明专利]一种混合超级电容器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合超级电容器及其制备方法。

背景技术

超级电容器是一种新型储能器件，属于标准的全系列低碳经济核心产品，它的功率密度远高于锂电池，充放电循环次数可达50万次以上，寿命达10年以上，其最大的优点是具有优良的脉冲充放电性能和快速充放电性能，同时还具有工作温度范围宽、安全、无污染等特性，在电动车、混合动力汽车、升降电梯、辅助电源、风能和太阳能等可再生能源发电等领域具有重要的应用价值，已成为本世纪最具发展前景的绿色电源，并有望在某些领域取代传统蓄电池。然而，超级电容器的能量密度与锂离子电池、镍氢电池等相比还是比较低的，有待于进一步提高。

超级电容器按照储能机理可分为双电层电容器（基于双电荷层机理）和法拉第赝电容器（基于法拉第氧化还原反应），双电层电容器是最早出现的电化学电容器，可实现快速充放电，具备高的功率密度，但其能量密度一般小于10 Wh/kg。法拉第赝电容器不仅可以通过双电层存储能量，同时也可通过电极材料的氧化还原反应把电能转化为化学能存储起来，因此法拉第赝电容器有更高的比能量。超级电容器还可分为对称型电容器和不对称型电容器，其中正负极材料电化学机理相同或相似的为对称型电容器，不相同的则为不对称型电容器。在不对称型电容器中，一个电极主要利用双电层机理而另一个电极则主要利用电化学反应来储存或转化能量，所以又称混合电容器。混合电容器具有双电层电容器和二次电池的双重特征，可以充分利用不同材料在不同电位区间下的电容特性来提高超级电容器的工作电压范围和能量值，它不仅具有充放电速度快、功率密度大、内阻小、循环寿命长等优点，而且也具有容量大，平均电压高、能量密度大的特性。因此，混合电容器是满足实际应用中对电容器电源系统能量密度和功率密度的整体要求的最佳选择。

根据超级电容器能量密度计算公式 E=1/2CV²可知，想要提高超级电容器的能量密度可以从三个方面着手：一、开发高容量的电极活性材料，如何增加材料的比表面积和获得有效孔径分布成为研究的重点；二、开发高电位窗口的电解液，电解液为水系的超级电容器单体电压不超过1.2 V，而有机电解液可将电容器的工作电压提高到2.7 V。离子液体作为电解液具有较大的电化学窗口（高达4V）、良好的导电性、热稳定性和极好的抗氧化性，因此，用离子液体作为炭基超级电容器的电解液已经开始得到了科研工作者的关注；三、组装混合电容器，尤其是有机电解液体系的混合电容器可进一步提高电容器的能量密度，最近文献报道的锂离子混合电容器的能量密度最高可达95 Wh/kg。

超级电容器电极材料，包括各种炭材料、金属氧化物和导电聚合物，是超级电容器的关键所在。炭材料产生的电容主要是双电层电容。炭材料来源广泛，具有高的比表面积，优良的导电性能，良好的化学稳定性和较低的膨胀系数，且可根据需要制成多种形态等特点，因而作为超级电容器的电极材料而得到了广泛研究和实际应用。目前，用于制备超级电容器的炭材料主要有活性炭、介孔炭材料、炭纤维、碳纳米管和石墨烯等。与炭材料相比较而言，金属氧化物（包括RuO₂、MnO₂、NiO、TiO₂、Co₃O₄、Fe₃O₄等）能产生高的能量密度，它们依靠电解液离子作为传输介质，通过电极材料在充放电过程中发生可逆的法拉第氧化还原反应来实现能量的存储和释放。因而其能量密度虽不能与传统电池相比，却是普通电容器的10倍以上，且对环境无污染。然而金属氧化物材料本身电子电导率和电解液离子迁移率较低，这就在很大程度上影响了其材料利用率，从而使其电容量距离理论数值有相当大的差距。因此，将适量纳米碳与氧化物进行复合来提高氧化物的导电性和材料利用率已成为目前超级电容器氧化物基电极材料研究与开发的一个新趋势。

发明内容

本发明的目的是针对电容器能量密度低的问题而提供一种混合超级电容器及其制备方法。

我们研究得知：氧化铁材料在特定离子液体电解液中不仅具有法拉第赝电容行为，而且展示出了很高的比容量。开创了一个新思路，即把炭材料和氧化铁材料同时应用到离子液体电解液超级电容器中，从而提高传统炭材料基电容器的能量密度。

 

本发明利用离子液体电解液高的工作电压窗口，结合氧化铁在离子液体中表现出的电化学赝电容行为，又选取炭材料作为正极材料组装成一种具有“双电层电容-法拉第赝电容-离子液体”复合储能新特点、高能量密度、高功率密度且长循环寿命的混合超级电容器。