[发明专利]基于碳纳米洋葱/石墨烯复合结构的低温交流滤波超级电容器

说明书

本发明公开了一种在低至‑50℃温度仍保持良好滤波性能且具有比铝电解电容器更低纹波系数的基于碳纳米洋葱/石墨烯复合结构电极的滤波超级电容器。所述超级电容器包括电极、电解液、隔膜。电极为镍箔表面的碳纳米洋葱/石墨烯复合结构薄膜，电解液为溶于有机溶剂的低熔点离子液体。本发明利用碳纳米洋葱外表面使离子快速传输的结构优势与石墨烯降低界面电阻的优势，结合低熔点电解液，使超级电容器在‑50℃的低温条件下仍具有出色的频率响应能力和交流滤波性能，较铝电解电容器纹波系数更低。所述低温滤波超级电容器可以保证在极地、航空航天等低温等条件下电子器件的精确性。本发明为低温条件下小体积滤波超级电容器的研发提供了新的思路与制备方案。

技术领域

本发明属于碳材料制备与超级电容器技术领域，更具体地，涉及一种以碳纳米洋葱/石墨烯复合结构为电极材料的超级电容器，可以在低温下应用于交流滤波领域，滤波信号具备低纹波系数。

背景技术

交流滤波电容器可以将远程输送的交流电信号转化为平稳的直流电信号，供电子器件工作。近年来，人们对于低温地区的工业建设和科学探索活动日益增多。而暴露于超低温环境、极地和极端海拔地区、航空航天等领域的电子器件需要在0℃至-40℃甚至更低的温度下工作，这对滤波电容器的低温性能提出了巨大的考验。在过去的几十年中，加热辅助设备被用于改善电子器件的低温工作环境，但耗能巨大。因此，开发能够在低温下运行的高性能滤波电容器具有十分重要的意义。

目前主要使用的滤波电容为铝电解电容器，其比电容低，需要增大铝箔卷绕面积来增大电容，这导致其成为电路板中体积最大的电子元件之一，极大地限制了电子设备的小型化和轻量化发展。超级电容器主要利用电极与电解液的界面双电层储电，其充放电速度快，功率密度高，频率响应能力好，且比电容较铝电解电容器高出3-5个数量级，有望取代铝电解电容器成为新一代的小体积滤波电容器，从而实现电子设备小型化。然而，超级电容器在低温环境下的滤波性能如何还是未知，目前还没有研究报道。

传统铝电解电容器主要采用铵盐溶于水和乙二醇的混合溶液作为电解液，在室温下电导率较高，具有较好的频率响应，但水的熔点限制了其最低使用温度为-25℃，导致铝电解电容器在低温下频率响应能力衰退严重。目前，基于常规碳材料和电解液的超级电容器在低温下的倍率性能较差，频率响应能力还不能满足滤波要求。主要原因包括：(1)水系电解液中水的高熔点(0℃)限制了超级电容器在低温下的正常工作，有机系电解液如碳酸丙烯酯(熔点-25℃)的粘度较大，离子电导率下降，电化学阻抗高；(2)电极材料多使用微孔丰富的电极材料以增大电容，微孔尺寸小且结构复杂，离子扩散阻力大；(3)为了获得较高电容，电极材料的厚度往往较大，导致离子传输路径长，扩散受阻，此外多使用绝缘的粘结剂进行涂覆，造成电子转移困难。因此，我们需要制备出具有快速离子迁移优势的电极结构，结合低熔点的电解液，使超级电容器在低温下具备良好的频率响应能力，从而实现低温滤波。

碳纳米洋葱是一种具有同心石墨层包裹的球状结构的碳材料。已有研究表明，相比于其他材料而言，其无微孔的球形石墨壳层表面更有助于获得高比电容和电解液离子快速迁移，使得碳洋葱结构在低温下保持高倍率性能。因此，碳纳米洋葱结构有望在低温下展现出良好的交流滤波性能。同时，通过化学气相沉积法在金属集流体表面生长出的石墨烯层可以将碳纳米洋葱与金属集流体紧密连接，以减小界面电阻。此外，一些离子液体如1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIMBF₄，熔点-71℃)熔点在-30℃至-80℃之间，在一定低温范围内仍可以保持液态，是低温电解液的重要组分。而乙腈(ACN)是一种常见的有机溶剂，熔点低至-45℃，且具有粘度低的特点。其作为溶剂可以改善离子液体电解液粘度高的问题，从而得到低熔点和低粘度的低温电解液。将碳纳米洋葱/石墨烯复合结构这种具有高曲率表面的电极与低温电解液结合可以有效降低电解液中离子的扩散阻力，基于此电极材料的滤波超级电容器有望在低温下获得良好的滤波性能。

发明内容