一種電容器的電極及其制備方法技術

一種電容器的電極及其制備方法，涉及一種基于聚苯胺/定向碳納米管復合材料的混合型超級電容器電極及其制備方法。其特征在于所述電極由導電基體材料與聚苯胺/定向碳納米管復合材料組成，聚苯胺/定向碳納米管復合材料直接生長在導電基體材料的一面或兩面上。制備過程通過對反應氣、導電基體材料的選擇及化學氣相沉積工藝的控制，在導電基體上直接生長定向碳納米管，然后將其在配制的鹽酸苯胺的硫酸溶液中電化學沉積，制備出功率密度大、倍率性能好、能量密度高、使用壽命長的超級電容器用聚苯胺/定向碳納米管復合電極。具有制備工藝簡單、成本低廉、易于大規模生產等特點。

【技術實現步驟摘要】

，涉及一種基于聚苯胺/定向碳納米管復合材料的混合型超級電容器電極及其制備方法。
技術介紹
超級電容器是近些年來發展迅速的新型綠色儲能器件，它具有快速充放電特性， 功率密度是普通電池的幾十倍甚至幾百倍。另外，循環壽命長，充放電循環次數可達100000 次，是普通電池的幾百倍甚至幾千倍。但是，超級電容器作為電源或儲能裝置也存在致命的弱點，即在目前的技術水平下盡管其能量密度是常規電容器的100倍以上，但依然顯著低于二次電池(約為鋰離子電池的1/10)。如何進一步提高超級電容器的比功率和比能量，是超級電容器研發與產業發展中亟待解決的關鍵問題。超級電容器按儲能原理不同可分為雙電層電容器和贗電容器或者氧化還原電容器，雙電層電容器靠電極和電解液界面的雙電層來儲存電荷，其電極材料主要為高比表面積的炭材料。贗電容器靠電極活性物質發生快速可逆的氧化還原反應來儲存電荷，對應的電極材料有金屬氧化物和導電聚合物，該類電容的儲能機制(電荷分離和法拉第過程)與雙電層電容不同，通常具有更大的比容量。雙電層電容器所使用的炭類電極材料主要包括活性炭、炭纖維、炭氣凝膠、碳納米管等。在這些材料當中，碳納米管由于具有高的導電性、好的力學性能、高溫穩定性能、孔徑分布集中在一定范圍內(且孔徑大小可控)和表面可官能團化(表面特性易控)的優點，成為超級電容器的理想電極材料。但是由于碳納米管的比表面積較低，致使其比容量也較低，相對贗電容材料低的比容量成為制約其作為超級電容器電極材料產業化發展的瓶頸。金屬氧化物贗電容電極材料，主要包括Ru02、MnO2, NiO等，具有較高的比電容量， 但金屬氧化物類超級電容器普遍存在電位窗口窄，成本價格高的問題限制了其產業化的利用。相對而言，導電聚合物電極材料，價格低廉，通過利用其摻雜一去摻雜電荷的能力，在整個三維立體結構內發生的快速可逆法拉第贗電容反應而儲存能量，因而其比電容遠高于僅靠電極/電解液的界面雙電層儲能的炭材料，是當今超級電容器電極材料研發的熱點。導電聚合物電極材料主要有聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。其中，聚苯胺具有原料易得、合成簡便、成本低廉、電性能優異及高分子結構可設計等優點，因而是一種極具發展潛力的高比能超級電容器電極材料。但導電聚合物普遍存在力學性能、導電性能差的缺點，限制了其循環穩定性和比容量的發揮，因此改善和提高其力學性能及導電性能成為其實用化的關鍵因ο研究表明，采用碳納米管/導電聚合物復合材料的超級電容器可以同時發揮雙電層電容和贗電容，不僅更好的提高了超級電容器的比電容量和比能量而且具有更好的循環性能，成為關注的熱點。然而許多研究者將導電聚合物包覆在碳納米管(粉末)表面，結合粘接劑混合后再涂覆到金屬集流體上，如《碳納米管復合電極超大容量電容器及其制造方法》(申請號02133455. 2)專利中公開了利用碳納米管與導電聚合物復合作為電容器電極3材料的制備方法，但該方法工藝復雜，而且需要制漿和涂覆設備，增加了電極制備的成本； 同時粘接劑的使用也會降低材料的導電性。另外，由于導電聚合物分散性能差以及碳納米管(粉末)的團聚現象導致材料的比容量及能量密度等電化學性能并不理想，如《用于超級電容器的碳納米管-聚苯胺復合材料的制備方法》(申請號200610019322. 6)專利中公開的聚苯胺與碳納米管的復合材料存在比容量低的問題。專利《一種陣列基復合電極》(申請號200820136765.8)中公開了一種在導電性基體上制備具有一維陣列結構的定向碳納米管，與金屬氧化物材料復合后的陣列電極，具有高比容量和高比功率的優良特性，但該專利并未公布復合電極的制備方法，并且陣列電極需要粘貼到導電材料基體上，因此造成電極材料的功率密度尚欠理想。
技術實現思路
本專利技術的目的就是針對上述已有技術存在的不足，提供一種工藝、設備簡單，功率密度大、倍率性能好、能量密度高及使用壽命長的電容器的電極及其制備方法。本專利技術的目的是通過以下技術方案實現的。一種電容器的電極，其特征在于所述電極由導電基體材料與聚苯胺/定向碳納米管復合材料組成，聚苯胺/定向碳納米管復合材料直接生長在導電基體材料的一面或兩面上。本專利技術的一種電容器的電極，其特征在于所述的聚苯胺/定向碳納米管復合材料是由長度為20-150 ym，直徑為1-50 nm的單壁或多壁定向碳納米管以及包覆在碳納米管外的厚度不大于30 nm的聚苯胺膜組成。本專利技術的一種電容器的電極，其特征在于所述的導電基體材料為Al、Cu、Ti、Mg、 Ni、Ta、Pt、不銹鋼、中間相微球、石墨、膨脹石墨等金屬或非金屬的板、箔、網、顆粒或泡沫狀材料。本專利技術的一種電容器的電極，其特征在于所述的聚苯胺/定向碳納米管復合電極材料中，聚苯胺占復合電極材料總質量的10%-80%。本專利技術的一種電容器的電極，其特征在于所述的聚苯胺/定向碳納米管復合電極材料中，聚苯胺占復合電極材料總質量的50%-60%。一種電容器的電極制備方法，其特征在于制備過程的步驟包括1)將導電基體材料與催化劑二茂鐵先后放入化學氣相沉積系統的石英管中，其中導電基體材料位于石英管的高溫反應區，催化劑二茂鐵位于石英管進氣端的低溫區。向石英管中通入200 mL/min的Ar和H2的混合氣體30 min中后，將反應區溫度加熱到500-900 °C， 石英管進氣端的溫度控制在200-400 °C。調整進氣速率，按20 mL/min,20 mL/min和160 mL/min的進氣速率分別通入反應氣、H2和Ar的混合氣體，反應20-60 min后，停止反應氣的供應，將石英管在保護性氣氛下冷卻到室溫，在導電基體材料上即獲得長度為20-150 ym, 直徑為1-50 nm的單壁或多壁定向碳納米管；2)將步驟1)獲得的表面生長定向碳納米管陣列的導電基體作為工作電極，不銹鋼或鈦為輔助電極，Ag/AgCl電極為參比電極，選用定向碳納米管質量100-300倍配制的鹽酸苯胺的硫酸溶液作為電解質。采用電化學循環伏安的方法，對單體進行原位聚合，使聚合物沉積到定向碳納米管的表面，聚苯胺沉積膜的厚度不大于30 nm，然后用蒸餾水沖洗，60 °C真空干燥12 h后在導電基體上得到聚苯胺/定向碳納米管復合材料。本專利技術的一種電容器電極的制備方法，其特征在于步驟1)中所述化學氣相沉積的導電基體材料為Al、Cu、Ti、Mg、Ni、Ta、Pt、不銹鋼、中間相微球、石墨、膨脹石墨等金屬或非金屬的板、箔、網、顆粒或泡沫狀材料。本專利技術的一種超級電容器電極的制備方法，其特征在于步驟1)中所述化學氣相沉積的反應氣為天然氣、乙烯、丙烯、乙炔、二甲苯等的一種或多種。本專利技術的一種電容器電極的制備方法，其特征在于步驟2)中所述鹽酸苯胺在硫酸電解質溶液的摩爾濃度為0.01-0. 5 mol/L，其中電解質溶液中溶液的濃度為0. 1-2 mol/L0本專利技術的一種電容器電極的制備方法，其特征在于步驟2)中所述的采用循環伏安法進行沉積，工作電極與輔助電極之間的電壓為-0.2、. 8 V，掃描速率為50 mV/s，循環次數為10-150次。本專利技術的一種電容器電極的制備方法，其特征在于步驟2)中所述的聚苯胺/定向碳納米管復合電極材料中，聚苯胺占復合電極材料總質量的10%-80%。本專利技術的的優點在于1.通過化學氣相沉積法在導電本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種電容器的電極，其特征在于所述電極由導電基體材料與聚苯胺／定向碳納米管復合材料組成，聚苯胺／定向碳納米管復合材料直接生長在導電基體材料的一面或兩面上。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳德，楊建紅，高宏權，康樂，
申請(專利權)人：中國鋁業股份有限公司，
類型：發明
國別省市：11