[发明专利]一种不对称超级电容器及其制备方法

说明书

本发明属于电化学领域，具体是一种不对称超级电容器及其制备方法，一种不对称超级电容器，包括正极极片、负极极片和电解液，所述电解液介于所述正极极片和负极极片之间的隔膜，所述正极极片的活性材料为δ‑MnO₂，所述负极极片的活性材料为WO₃和rGO的复合材料，本发明以δ‑MnO₂为正极，WG‑16为负极，组装不对称超级电容器MnO₂//WG‑16。测试结果显示，器件能稳定在2.1V工作，MnO₂//WG‑16能量密度最高达到42.88Wh·kg^‑1，功率密度最高达到10511W·kg^‑1。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体是一种不对称超级电容器及其制备方法。

背景技术

目前，可充电电池和超级电容器作为两类常见的电能储能器件，广泛应用于生产、生活中。超级电容器，又名电化学电容器(ECs)，是一类具有高功率密度、高安全性和长使用寿命的电能储能器件，在许多领域发挥着作用。然而，受限于自身能量密度低,ECs的适用范围并不广泛，因此，想要促进ECs的发展，同时不牺牲其功率密度，是目前ECs领域的一个研究重点。

不对称超级电容器(ASCs)的出现，为解决ECs能量密度低这一问题提供了可行的途径。ASCs是由两种不同的材料组装而成的一种ECs，它可以利用两种材料具有的不同电势区间，组合后可以突破电解液分解电压的限制。即使是使用水系电解液，器件的工作电压也可以达到高于1V，从而大幅度提高器件的能量密度。而想要真正设计并实现高能量密度的ASCs，其关键在于寻找高容量且具有宽工作电势区间的电极材料。

ASCs在能量密度上具有明显的优势，所以近年来ASCs研究发展十分迅速，涌现出众多研究成果，如Nayak A K等(Nayak A K,Das A K,Pradhan D.High PerformanceSolid-State Asymmetric Supercapacitor using Green Synthesized Graphene–WO3Nanowires Nanocomposite[J].ACS Sustainable ChemistryEngineering,2017,5(11):10128-10138.)使用WO₃/rGO正极、AC为负极组装的全固态ASC，器件工作电压可达到2V，获得了26.7Wh·kg^-1的能量密度。Sahoo R等(Sahoo R,Pham D T,Lee T H,etal.Redox-Driven Route for Widening Voltage Window in AsymmetricSupercapacitor[J].ACS Nano,2018,12(8):8494-8505.)研究的rGO@Mn₃O₄//rGO@VO₂水系ASC的工作电压高达2.2V，得到了42.7Wh·kg^-1和1.1kW·kg^-1的能量密度和功率密度。Gu等(Gu Y,Fan L-Q,Huang J-L,et al.N-doped reduced graphene oxide decorated NiSe₂nanoparticles for high-performance asymmetric supercapacitors[J].Journal ofPower Sources,2019,425:60-68.)报道了一种NiSe₂/rGO的高性能电极材料，与AC匹配组装的ASC工作电压达到1.6V，能量密度达到40.5Wh·kg^-1的同时还具有841.5Wh·kg^-1的功率密度。Yang等(Yang Z M,Vinodh R,Balakrishnan B,et al.Rational design ofasymmetric aqueous supercapacitor based on NAXMnO2 and N-doped reducedgraphene oxide[J].Journal of Energy Storage,2020,28:101293.)制备的Na⁺掺杂MnO₂，比电容达到了288F·g^-1，与氮掺杂的rGO匹配组装了ASC，器件的工作电压为2V，得到了52.7Wh·kg^-1的高能量密度。Asaithambi S等(Asaithambi S,Sakthivel P,Karuppaiah M,et al.Preparation of Fe-SnO₂@CeO₂ nanocomposite electrode for asymmetricsupercapacitor device performance analysis[J].Journal of Energy Storage,2021,36:102402.)制备了高性能的正极材料Fe-SnO₂@CeO₂，以AC为负极组装了工作电压为1.5V的对称ASC，能量密度和功率密度最大分别达到32.2Wh·kg^-1和7390W·kg^-1。总结现有研究成果，我们发现，有关ASCs的研究主要集中在正极材料。尤其是过渡族金属氧化物，依靠自身所具有的诸多优良性能，长久以来受到极大的关注。不过，完整的ASCs还需要负极材料的配合。然而，在很多的研究中，负极材料的研究被忽视了。研究者常常以碳材料作为负极，因为碳材料十分容易获取，具有电势窗口宽、性质稳定和导电性优良的等优点，是理想的负极材料选择。但是，碳材料比电容较低、不适合匹配高性能的正极，所以可以看到许多以碳材料作为负极的器件并未取得高能量密度。