[发明专利]胶体电极及其制备方法和超级电容电池

说明书

本申请涉及储能材料技术领域，尤其涉及一种胶体电极及其制备方法和超级电容电池。该胶体电极包括集流体和设于集流体表面的胶体材料层，胶体材料层包括过渡金属盐、导电碳材料和粘结剂；其中，导电碳材料之间形成有活性胶体离子。本申请的胶体电极中，过渡金属盐、导电碳材料和粘结剂形成一个三维导电骨架结构的胶体材料体系，具有快速的离子扩散通道，从而使得导电碳材料之间的活性胶体离子扩散快速，在热力学、动力学允许条件下实现最大化利用氧化还原活性阳离子，因此可以充分利用过渡金属盐的多价态金属阳离子的多电子氧化还原反应，充分释放储存的潜在电能；这样的胶体电极可以形成兼具高功率密度与高能量密度的储能器件如超级电容电池。

技术领域

本申请属于储能材料技术领域，尤其涉及一种胶体电极及其制备方法和超级电容电池。

背景技术

能源问题是人类长期面临的主要挑战之一，能源材料是当前最具决定性影响的技术领域之一，开发新型能源材料、设计和制备相关器件已成为重要研究方向。二次电池(Rechargeable battery)和超级电容器(Super capacitors)是目前常用的储能器件；其中，二次电池(如锂离子电池、钠离子电池和金属-空气电池等)具有较高的能量密度、但功率密度较低的特点，而超级电容器具有较高的功率密度、但能量密度较低的特点。一般情况下，高能量密度和高功率密度对于储能器件是矛盾的，如锂电池能量密度高、但功率密度低，超级电容器正好相反；因此，兼具高功率密度与高能量密度的储电技术是电化学储能领域的终极目标。

超级电容器的全称是电化学超级电容器，包括双电层型和赝电容型。双电层型超级电容器是利用电极/电解液界面电荷分离所形成的双电层实现储能，而赝电容型超级电容器借助电极表面快速的氧化还原反应所产生的法拉第“准电容”来实现能量储存。赝电容型超级电容器普遍比双电层型具有高的能量密度。

国内超级电容器的发展主要侧重于对已有材料体系的改进以及器件研发，而国外主要侧重于新材料体系开发与基于应用的器件开发。虽然目前这些设计能不同程度提高其性能，但依然不能完全释放电极材料的储电潜力。赝电容和电池型材料的电荷存储机制主要是基于阳离子氧化还原化学，虽然这一机理已被人们熟知，但是阳离子的利用率仍然不足。这主要是因为目前的设计没有从本质上改变电化学储能反应的热力学和动力学。

发明内容

本申请的目的在于提供一种胶体电极及其制备方法和超级电容电池，旨在解决的技术问题是如何提高电极材料阳离子利用率以形成兼具高功率密度与高能量密度的储能器件。

为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种胶体电极，包括集流体和设于所述集流体表面的胶体材料层，所述胶体材料层包括过渡金属盐、导电碳材料和粘结剂；其中，所述导电碳材料之间形成有活性胶体离子。

本申请提供一种胶体电极，其集流体表面设置的活性材料层是一种胶体材料层，该胶体材料层中的过渡金属盐、导电碳材料和粘结剂形成一个三维导电骨架结构的胶体材料体系，具有快速的离子扩散通道，从而使得导电碳材料之间的活性胶体离子扩散快速，在热力学、动力学允许条件下实现最大化利用氧化还原活性阳离子，因此可以充分利用过渡金属盐的多价态金属阳离子的多电子氧化还原反应，充分释放储存的潜在电能；这样的胶体电极形成兼具高功率密度与高能量密度的储能器件如超级电容电池，因此，具有很好的应用前景。

第二方面，本申请提供一种上述胶体电极的制备方法，包括如下步骤：

配制含有所述过渡金属盐、所述导电碳材料和所述粘结剂的电极料浆；

将所述电极浆料涂覆在所述集流体上，进行干燥处理，然后经充放电形成所述胶体材料层。