[发明专利]一种超级电容器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，尤其涉及一种超级电容器及其制备方法。

背景技术

20世纪90年代，随着人类社会对电动汽车的开发以及对功率脉冲电源的需求，刺激了人们对电化学电容器的研究，但目前电化学电容器的比能量仍然比较低。为了解决电池的比功率较低的问题，人们试图将电池和超级电容器联合使用，当正常工作时，由电池提供所需的动力；当启动或需要大电流放电时，则由电容器来提供所需动力，这样可以解决一些实际问题，但同时增加了电池的附件，与目前能源设备的短小轻薄等发展方向相违背；另外，人们正试图利用电化学电容器和电池的原理，开发混合电容器作为新的贮能元件。

1990年Giner公司推出了贵金属氧化物为电极材料的所谓赝电容器或称准电容器（Pseudo-capacitor）。为进一步提高电化学电容器的比能量，1995年，D.A.Evans等提出了把理想极化电极和法拉第反应电极结合起来构成混合电容器的概念（Electrochemical Hybrid Capacitor，EHC或称为Hybrid capacitor）。1997年，ESMA公司公开了NiOOH/AC混合电容器的概念，揭示了蓄电池材料和电化学电容器材料组合的新技术。2001年，G.G.Amatucci报告了有机体系锂离子电池材料和活性炭组合的Li₄Ti₅O₁₂/AC电化学混合电容器，是电化学混合电容器发展的又一个里程碑。

目前研究的混合型超级电容器主要采用高比表面积的活性碳作为正极材料，石墨或者Li₄Ti₅O₁₂作为负极，在正极与电解液的表面形成双电层，正极材料的容量决定了整个体系的容量，由于正极双电层的容量较小，限制了超级电容器整个体系的容量提高。

发明内容

鉴于此，本发明旨在提供一种超级电容器及其制备方法。本发明提供的超级电容器，正极活性材料为比表面积为1~20m²/g的石墨，其储能机理为阴离子嵌入嵌出的机理，提高了电极储存电荷的能力，从而提高了整个体系的容量。本发明提供的制备方法操作简单。

第一方面，本发明提供了一种超级电容器，包括正极、负极、介于正极与负极之间的隔膜以及电解液，正极包括铝箔和涂覆在铝箔上的正极材料，负极包括铝箔和涂覆在铝箔上的负极材料，正极材料包括质量比为85~90:5~10:5~10的正极活性材料、粘结剂和导电剂，正极活性材料为比表面积为1~20m²/g的石墨，负极材料包括质量比为85~90:5~10:5~10的负极活性材料、粘结剂和导电剂，负极活性材料为比表面积为200~3000m²/g的碳材料，负极活性材料与正极活性材料的质量比为10~20。

常规超级电容器正极活性材料主要采用活性炭、碳纳米管、石墨烯等高比表面积（200~3000m²/g）的碳材料，其储能机理为双电层机理，本发明中的正极活性材料采用低比表面积（1~20m²/g）的石墨，其储能机理是利用电解液中的阴离子在石墨片层中的嵌入与嵌出来储能，可有效提高电极储存电荷的能力，最终提高超级电容器的容量。本发明负极活性材料与与常规超级电容器负极活性材料一样，主要采用高比表面积（200~3000m²/g）的碳材料作为负极活性材料，其储能机理为双电层机理，利用电解液中的阳离子在负极活性材料表面形成的双电层来储能。

优选地，碳材料为活性炭、碳纳米管、石墨烯或石墨烯的衍生物。

更优选地，碳材料为比表面积为200～1500m²/g的石墨烯或石墨烯的衍生物。

优选地，石墨烯的衍生物为氮掺杂石墨烯或硼掺杂石墨烯。

优选地，粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯醇。

优选地，导电剂为乙炔黑、科琴黑、碳纳米管或导电碳纤维。

优选地，隔膜为聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或无纺布隔膜。

优选地，电解液的溶质为通式为M⁺Y^-的盐，其中Y^-为PF₆^-或BF₄^-，M⁺为分别如结构式A、B、C所示的季铵盐正离子、吡啶盐正离子或吡咯盐正离子：

式中，R为碳原子数为1~6的烷基。