[发明专利]一种水系电容电池及其制备方法

说明书

本发明提出了一种水系电容电池及其制备方法；所述水系电容电池，包括正极和负极；正极采用吸附有苯二酚类分子的第一碳基材制成；负极采用吸附有醌类分子的第二碳基材制成；苯二酚类分子的标准电极电势高于醌类分子的标准电极电势。本发明的水系电容电池设计新颖，实用性强。

技术领域

本发明涉及电池领域，尤其涉及一种水系电容电池及其制备方法。

背景技术

电化学储能器件在我们的日常生活中随处可见。特别是在便携式电子设备中，得到了广泛的应用，例如手机、手提电脑、数码相机等。近些年，随着混合动力汽车的快速发展，开发新的材料和技术来同时满足动力电源对高能量密度和高功率密度的需求成为了科研人员的研究热点。

与其他电化学储能技术相比，尽管锂电池具有较高的能量密度，但是锂电池由于成本高和采用有机物做电解液而安全性差，容易爆炸等限制了锂电池的发展。与锂电池相比，超级电容器具有快速充放电、高功率密度、长循环寿命等优点使得超级电容器广泛应用在可再生能源储能系统，作为主电源或备用电源在消费电子、军事、轨道交通、航空航天等领域得到了良好的发展。然而由于较低的能量密度，阻碍了超级电容器在储能领域的应用。如何提高超级电容器的能量密度成为了关键挑战。而超级电容器的能量密度取决于电极材料的比电容和电容器的电压窗口。碳基材料由于良好导电性，较高比表面积，低成本而成为商业化超级电容器的常用电极材料。Spectracarb

2225碳布作为一种无粘结剂，高比表面积的碳材料，是理想的制备超级电容器电极的选择。法拉第准电容器储存的电荷除了包括双电层上的存储，还包括电解液中离子在电极活性材料中发生氧化还原反应储存的电荷。常见的法拉第电容电极材料主要有金属氧化物(MnO₂、RuO₂、C_O3O₄、NiO等)和导电聚合物(聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等)。虽然理论上此类材料的比电容可高达数千F/g以上，但是在实际应用中并不是整个电极材料都能够很好的和电解液接触，只有最外层表面的分子参与了氧化还原反应，因此实际得到的比电容只有数百F/g。虽然有机电解液能够提供较高的电压窗口，但有机电解液价格昂贵，易挥发且毒性较强，选择水系电解液避免了使用手套箱等有机电解液所需的昂贵实验设备并且有更高离子导电率，较小的电阻。如果在商用碳电极表面吸附一层具有法拉第电容性质的有机物醌类小分子，使得在充放电过程中几乎全部分子都能参与储存电荷的过程，从而明显地提高碳基超级电容器的比电容。事实上，研究人员细致地研究了醌类在有机液流电池中的机理与应用，认为含有具有羰基和羟基的醌类有机物储能机理在酸性电解液里是质子与分子上的这些基团的反应。例如9,10-蒽醌-2,7-二磺酸钠在硫酸电解液里，可以极快的发生可逆的双电子双质子氧化还原反应。然而，对于水系的超级电容器来说，在提高比电容的同时还可以提高电压窗口成为一个新的技术挑战。另外，一直以来如何简单的开发安全便宜的储能设备都是研究人员亟待解决的难题。

发明内容

本发明针对以上技术问题，尤其涉及一种水系电容电池及其制备方法。

本发明所提出的技术方案如下：

本发明提供了一种水系电容电池，包括正极和负极；正极采用吸附有苯二酚类分子的第一碳基材制成；负极采用吸附有醌类分子的第二碳基材制成；苯二酚类分子的标准电极电势高于醌类分子的标准电极电势。

本发明上述的水系电容电池中，苯二酚类分子采用邻苯二酚-3,5-二磺酸钠、1,2-二羟基-9,10-蒽醌、2,5-二羟基苯甲磺酸或对二苯醌。

本发明上述的水系电容电池中，醌类分子采用9,10-蒽醌-2,7-二磺酸钠、3,4-二羟基-2-磺酸-9,10-蒽醌、2-磺酸-9,10-蒽醌或1,4-二羟基-2,3-二甲基磺酸-9,10-蒽醌。

本发明上述的水系电容电池中，还包括设置在正极和负极之间的隔膜；该隔膜采用玻璃纤维制成。