[发明专利]一种利用耐热膜一步法制备三明治结构储能器件的方法

说明书

本发明公开了一种基于耐高温隔膜材料的一步水热法制备三明治结构储能器件的方法。将不同的过渡金属（如铁、钴、镍、铜等）分别作为正极基体和负极基体，按正极基体/隔膜/负极基体的顺序层叠固定后，浸入含有碳源的水溶液中，通过加压水热法处理后，直接得到正极||隔膜||负极三明治结构的储能器件，并可用于超级电容器和电池等储能器件中。该方法操作简单，可直接制备出器件结构，后续只需进行注液、活化的操作即可直接使用，节省了从电极片到储能器件的装配过程，此外，不需要使用粘结剂和导电剂，也无需使用大型贵重仪器。

技术领域

本发明涉及一种一步法制备三明治结构储能器件的制备方法，特别涉及利用耐热高分子膜材料。

背景技术

随着全球经济的不断发展以及化石能源的不断消耗，能源和环境问题越来越严重，因而引起人们的重视，而寻找新型高效的新能源和配套的储能器件是解决这一问题的有效方法；超级电容器和电池是目前主要的储能器件，分别具有高功率密度和高能量密度的特点。

影响储能器件性能的最主要因素是电极材料，目前基于过渡金属氧化物（或硫化物）是最常用的储能材料；目前虽然已经报道了一些在基体表面直接制备活性材料从而得到无需粘结剂的电极，然而仅仅用于单电极的制备，电极制备好之后仍然涉及器件的组装过程和工艺，而目前尚未见到直接制作储能器件的报道。

发明内容

针对已有技术中的不足，本发明提出一种直接制备器件的简单方法：将热稳定性较好的高分子隔膜作为夹心，与正负极基体的金属片组装固定成“三明治”结构，然后进入含碳源的水溶液中，通过一步加压热处理方法，从而得到正极||隔膜||负极结构，其中正负极金属基体充当了集流体的作用，在金属基体表面生长的金属氧化物/碳（或金属氢氧化物/碳）复合材料充当了电极活性物质；该结构在注液、活化的操作后即可用作储能器件（超级电容器或电池）避免了粉末电极制作过程和器件组装过程，大大降低了制造器件的时间和成本。

本发明的技术解决方案如下：一种基于耐高温隔膜材料的一步水热法制备三明治结构储能器件的方法，是以过渡金属基体为金属源和载体，以高分子薄膜作为夹心隔膜，组装成三明治结构后，浸入含有碳源的水溶液中，经过加压水热处理后，得到正极/隔膜/负极的的储能器件结构，其中正负极金属基体充当了集流体的作用，水热处理后在金属基体表面生长的金属氧化物/碳（或金属氢氧化物/碳）复合材料充当了电极活性物质。

具体制备包括如下步骤：(1) 配置含有碳源的水溶液，混合均匀后转移至（聚四氟乙烯）水热釜内胆中；(2)选择镍、钴、铜或锰金属基体作为正极基体，选择钛、钼或铁金属基体作为负极基体；按正极基体||隔膜||负极基体的顺序将金属基体和隔膜固定成三明治结构，并浸入步骤（1）配置的溶液中，120 ~ 220℃水热处理6 ~ 48小时，清洗干燥后得到包含正极||隔膜||负极的三明治结构储能器件。

进一步，所述的碳源可以为氧化碳纳米管、氧化石墨烯、葡萄糖、蔗糖、果糖中的一种，其中，氧化碳纳米管、氧化石墨烯的浓度为0.2~0.4 mg/mL；葡萄糖、蔗糖、果糖的浓度为10~80 mg/mL；进一步，所述的过渡金属正极基体为镍、铜、钴、锰中的一种，过渡金属负极基体为铁、钛、钼中的一种，金属基体可以为金属片、金属网或金属泡沫。

进一步，所述的隔膜为具有2-200 nm孔径的聚四氟乙烯薄片。

本发明利用过渡金属基体作为制备负极||隔膜||正极结构器件的载体和金属源，以高分子膜材料作为器件中的隔膜，在含碳源的水溶液中，制备出正极/隔膜/负极结构储能器件；该方法简单易控、能耗低、容易实现规模化生产。

附图说明

图1为实施例1中制备的（a）钴氢氧化物/碳正极一侧的扫描电子显微镜（SEM）图片和（b）铁氧化物/碳负极一侧的扫描电子显微镜（SEM）图片。

具体实施方式