[发明专利]一种改性电极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种改性电极及其制备方法和应用，所述改性电极包括：负载有碳基活性物质的集流体作为电极，以及包覆在所述电极表面的聚合物薄膜；所述聚合物薄膜是由小分子有机物单体通过电化学法原位聚合而成；所述小分子有机物单体至少包含一个碳碳双键和一个含有杂原子的基团，其中含有杂原子的基团选自羧基、羟基、羰基、醛基、磺酸基、磷酸基、硝基、氨基、巯基、酰胺基、酯基、卤代基团和氰胺基中的至少一种。

技术领域

本发明涉及一种电化学储能材料的改性方法，具体涉及一种改性电极及其制备方法和应用，特别地涉及一种电极表面电化学原位沉积含有碳碳双键的小分子有机物单体及其碱金属盐和碱土金属盐的聚合物以提升水系超级电容器电压窗口的方法，属于材料领域。

背景技术

电化学储能技术是影响人类生产生活的重要技术，获得工业界和学术界的广泛重视。锂离子电池和超级电容器是电化学储能领域中两类具有代表性的储能器件。相比于传统的二次电池，锂离子电池具有开路电压高，能量密度大和工作寿命长等优点，可应用于手机、摄像机、笔记本电脑等便携电子设备与军事装备和医疗设备等领域。然而传统锂电能量密度高(～250Wh kg^-1)但功率密度偏低(＜1kW kg^-1)，限制了锂离子电池在大功率装备和领域的应用。在高功率储能领域，超级电容器具有独特优势，其功率密度可达15kW kg^-1以上，但是由于其通常采用双电层进行表面储能，能量密度过低(＜20Wh kg^-1)，难以满足实际应用的高能量密度需求，因此急需开发高能量密度的新型超级电容器器件，进一步扩大其应用市场。

超级电容器的能量密度E和功率密度P可以通过E＝0.5CV²和P＝V²/4R_ESR分别计算得到，其中C是活性物质的比电容，V是器件的电压窗口，R_ESR是器件的等效串联电阻。通过上述计算公式可以发现，想要提高超级电容器的能量密度有两个途径，即提高活性物质的比容量C和提升器件的电压窗口。碳材料是超级电容器最典型的活性物质，商用超级电容器碳材料如YP-50容量～200F g^-1，前期工作中我们设计制备了容量高达855F g^-1的氮掺杂有序介孔少层碳(Science,2015,350,1508-1513.)，使得C提高4倍以上。电压窗口V的大小是影响超级电容器能量密度的另一个重要因素，在C一定的情况下通过V的提升可以极大的提升器件的能量密度，V提升1倍，E就将提升为原来的4倍，因此发展高电压超级电容器意义重大。

碳基超级电容器由于其双电层储能原理通常没有明显的氧化还原峰，因此器件的电压主要取决于其所使用的电解液，由此可以分为两类，即水系超级电容器和有机系超级电容器。水系超级电容器具有安全性好、倍率性能好、环境友好、成本低等优点，但是受限于水的电解，其电压窗口通常较低，强酸性(如硫酸)和强碱性(如氢氧化钾)电解液中对称器件的电压窗口仅1.0-1.2V，偏中性的硫酸锂电解液中由于水的活度等影响电压窗口最高可达～1.8V。由于其低电压窗口，水系超级电容器的能量密度也较低，采用商用YP-50碳材料作为活性物质，能量密度仅为8～14Wh kg^-1，即使采用高容量的氮掺杂碳，能量密度也只能达到40～60Wh kg^-1，远低于锂电池。采用非水系电解液如有机电解液或离子液体，超级电容器的电压窗口可达3V～4V，同样采用商用活性炭材料其能量密度可以提高到60-90Wh kg^-1。但是这些高电压非水系超级电容器存在电解液价格昂贵、安全性差、环境不友好等问题，并且碳材料在这些电解液中的比容量一般仅为其在水系电解液中的一半以下，削弱了高电压带来的能量密度的提升，此类电解液的离子电导率一般仅～10mS cm^-1，远低于水系电解液100mS cm^-1，使得器件的倍率性能不佳，此外高电压下碳材料存在氧化问题导致器件循环稳定性下降。