[发明专利]应用核壳多孔纳米碳材料的超级电容器

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容，特别是应用核壳多孔纳米碳材料的超级电容器。

背景技术

超级电容器(Supercapacitors，ultracapacitor)，又名电化学电容器(ElectrochemicalCapacitors)，双电层电容器(ElectricalDouble-LayerCapacitor)、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。

超级电容器由于具有高功率密度和长循环寿命的特点，在交通运输、风力发电、电子产品等众多领域均有广泛的应用前景。目前限制其应用的因素主要是其能量密度较低。活性炭是目前最主要的商用电极材料，其具有比表面积大、孔结构丰富，以及料广价廉等优点，因而在高比容量电极材料中具有明显的优势。然而，由于活性炭呈颗粒状，且碳原子多为sp3形式，故其电导率低，在实际应用中需要添加炭黑等导电剂辅助。另外，活性炭的颗粒尺寸通常在几微米至几十微米，离子完全扩散进入活性炭内部距离长，易受动力学限制。综上，活性炭在用于电极材料时，内阻大，倍率性能不佳。

碳纳米管由于其是由sp2碳形成的蜂窝状一维结构，具有良好的导电性、极高的力学强度和巨大的长径比与表面积，广泛应用于高分子等复合增强领域，同时也用作催化剂载体。以碳纳米管代替炭黑等传统导电剂，辅助活性炭用于电极材料中是极有前途的思路。然而，由于碳纳米管管径细，范德华力大，极易形成管束难于分散，使得碳纳米管与活性炭混合时，难于混合均匀，碳纳米管的导电性无法得到良好的发挥。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开的应用核壳多孔纳米碳材料的超级电容器具有高比容量，低内阻，充放电性能稳定、高倍率性能以及长循环寿命等优势。

本发明公开的应用核壳多孔纳米碳材料的超级电容器，包括正极、负极、电解液以及隔膜，其中正极或负极表面涂覆有浆料，浆料包含核壳多孔纳米碳材料，所述核壳多孔纳米碳材料为以碳纳米管为芯部，并在芯部外层均匀包覆有纳米级多孔碳层，所述芯部为单层碳纳米管或多层碳纳米管。

本发明公开的应用核壳多孔纳米碳材料的超级电容器的一种改进，核壳多孔纳米碳材料在电解液中的比容量为120-250F/g(恒流充放电电流密度为0.5A/g)，或70-180F/g(恒流充放电电流密度为5A/g)，。

本发明公开的应用核壳多孔纳米碳材料的超级电容器的一种改进，超级电容的等效串联电阻为0.1-0.5Ω。

本发明公开的应用核壳多孔纳米碳材料的超级电容器的一种改进，核壳多孔纳米碳材料的比表面积为300-2500m²/g。

本发明公开的应用核壳多孔纳米碳材料的超级电容器的一种改进，芯部的碳纳米管的层数为1-20层。

本发明公开的应用核壳多孔纳米碳材料的超级电容器的一种改进，碳纳米管的比表面积为150-1300m²/g。

本发明公开的应用核壳多孔纳米碳材料的超级电容器的一种改进，纳米级多孔碳层的孔径为1-50nm。

本发明公开的应用核壳多孔纳米碳材料的超级电容器的一种改进，纳米级多孔碳层的厚度为0.05-1μm。

本发明公开的应用核壳多孔纳米碳材料的超级电容器的一种改进，纳米级多孔碳层的比表面积为300-2500m²/g。

本发明公开的应用核壳多孔纳米碳材料的超级电容器的制备方法，包括如下步骤：负极、纤维素隔膜、正极以及纤维素隔膜按照Z型叠片方式组装成电芯后装入外壳中，并灌注电解液后封装得到，其中正极或者负极的涂覆浆料中包含有核壳多孔纳米碳材料。

本发明公开的应用于超级电容器电极的核壳多孔纳米碳材料，核壳多孔纳米碳材料为以碳纳米管为芯部，并在芯部外层均匀包覆有纳米级多孔碳层，所述芯部为单层碳纳米管或多层碳纳米管。

本发明公开的应用于超级电容器电极的核壳多孔纳米碳材料的一种改进，核壳多孔纳米碳材料的比表面积为300-2500m²/g。