[发明专利]一种基于碳布/镓氧氮化物的工作电极和超级电容器

说明书

本发明属于电化学储能技术领域，涉及一种电化学工作电极和超级电容器及其制备方法，工作电极由碳布/镓氧氮化物制得；所述碳布/镓氧氮化物为，镓氧氮化物纳米粒子负载于碳布纤维之上；镓氧氮化物纳米粒子的尺寸为10‑70nm。超级电容器，由碳布/镓氧氮化物工作电极、隔膜、电解液和外封装组成。本发明所提供的碳布/镓氧氮化物工作电极和对称式水系超级电容器，具有较高的面积比容量、出色的倍率性能和电化学循环稳定性。

技术领域

本发明属于电化学储能技术领域，涉及一种电化学工作电极和超级电容器及其制备方法，尤其涉及一种基于碳布/镓氧氮化物的工作电极和超级电容器及其制备方法。

背景技术

超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层电容来存储能量的元器件。超级电容器由电极片、电解液、隔膜和外封装组成。当电极与电解液接触时，由于库仑力、分子间力、原子间力及离子间力的作用，在固液界面出现稳定和符号相反的双层电荷，称其为界面双层电荷。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。

根据电极材料的不同，超级电容器可以分为碳电极双层超级电容器、金属氧化物电极超级电容器、金属氮化物电极超级电容器和有机聚合物电极超级电容器等；根据电解液的不同，超级电容器可以分为有机系和水系超级电容器；根据两电极电极材料的储能性质不同，超级电容器可以分为对称式和非对称式(又称为混合式)超级电容器。

超级电容器是介于传统电解电容器和电池之间的一种电化学储能器件。相比于电解电容器，超级电容器具有更高的比容量；相比于电池，超级电容器具有更高的功率密度和倍率性能，但能量密度相对较低。

近来，科研工作者发现，氮化镓用于超级电容器电极材料时，表现出优异的倍率性能，但缺点是，氮化镓的比容量相对较低(Adv.Mater.2016,28,3768-3776)。

将氮化镓中的部分氮原子用氧原子取代，可以获得一种新型半导体材料，即镓氧氮化物。镓氧氮化物虽为半导体材料，但其导电性不高，这会影响基于镓氧氮化物的超级电容器的倍率性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于碳布/镓氧氮化物的工作电极和超级电容器及其制备方法，该种工作电极和超级电容器具有出色的比容量和倍率性能。

一种工作电极，其特征在于，由碳布/镓氧氮化物制得。优选的，所述碳布/镓氧氮化物为，镓氧氮化物纳米粒子负载于碳布纤维之上；镓氧氮化物纳米粒子的尺寸为10-70nm，优选的，镓氧氮化物纳米粒子的尺寸为10-25nm。参见图7-图12。

本发明还提供碳布/镓氧氮化物工作电极的用途，用于组装对称式水系超级电容器。

一种超级电容器，由碳布/镓氧氮化物工作电极、隔膜、电解液和外封装组成。优选的，所述隔膜为磺化高分子纤维膜；所述电解液为硫酸、硫酸锂或硫酸钠水溶液。

优选的，隔膜为深圳格邦GBH5512磺化隔膜；优选的，电解液为1mol L^-1硫酸。

所述超级电容器的放电比容量60-152mF cm^-2。100mA cm^-2电流密度下的放电比容量相对于1mA cm^-2下的放电比容量，容量保持率为41-46％。

所述超级电容器为对称式水系超级电容器。

所述超级电容器的制备方法，将碳布/镓氧氮化物矩形条裁成电极片，制得工作电极；以H₂SO₄溶液为电解液，将隔膜裁剪成圆片，组装扣式超级电容器器件。