专利名称：一种基于纳米介电材料层的高能量密度超级电容器的制作方法
一种基于纳米介电材料层的高能量密度超级电容器方法
技术领域：
本发明涉及超级电容器的电极材料，特别是一种基于纳米介电材料层的高能量密度超级电各器。背景技术：
电容的能量密度是单位体积或质量电容所能提供的能量，它与电容能够提供的能量有关。提闻电容的能量密度的方法，一种是大幅提闻电容的容量，另一种是提闻电容的工作电压，参见1) Winter, Μ. ; J. Brodd, R. Chem. Rew. 2004，104，25 ；2)Ma, L. P. and Y. Yang, Applied Physic Letters87 (12), 2005:3 ;3)张治安,杨邦朝,邓梅根,胡永达,无机材料学报，Vol20, No. 3，2005:p529 ；4)刘业翔，电池，Vol35, No. 3，2005 pl96 ；5) B. E. Conway 著，陈艾等译，电化学超级电容器一科学原理及技术应用，化学工业出版社，2005年I版。
超级电容器(Supercapacitors)主要是利用存在于电极材料和电解液界面上的双电层电容来储存电能，其电极材料通常采用具有高比表面积纳米多孔材料，参见 I)Yong-gang Wang, Yong-yao Xia, Journal of the electrochemical society, Voll53 (2), 2006:pA450 ；2) Kenneth H. Reimen, Karen M. Brace, toby J. Gordon-smith, e tal, Electrochemistry Commuciations, Vol.8,2006:p517 ；3) Sang-Bok Ma, Kyung-Wan Nam, etal, Journal of Power Sources, 128, 2008:p483 ；4)M. Lazzari, F. Soavi, M. Mastragotino, Journal of Power Source, 178, 2008:p490 ；5) Frackowiak,E. ;Beguin, F. Carbon2002, 40, (10)，1775-1787 ;6) Ma, S. B. ; Nam, K. ff. ;Yoon, ff. S. ;Yang, X. Q. ;Ahn, K. Y. ; Oh, Κ. H. ;Kim, Κ. B. Electrochemistry Communications2007, 9, (12)，2807-2811。超级电容器由于其电极材料(如纳米材料)具有高的比表面积，双电层厚度为纳米量级，从而其电容量比传统电容的容量要高出很多。
目前超级电容器的电容量可以达到1300F g-Ι以上，参见Patrice Simon, YurY GoGotSi, Nature Materials, 2007, 7，845-854。但是超级电容器的缺点是其工作电压与传统的电容相比要低得多。电容的能量与电容量呈线性关系，与电容的工作电压呈平方关系。 尽管超级电容器具有较高的电容量，但是由于其低的工作电压，导致其能量密度很低。要想提高电容的能量，除了获得高度电容量外，必须要提高电容的工作电压。在保持超级电容器高电容量的特点下，同时进一步提高其工作电压，是获得高能量密度电容器的有效途径。
超级电容器的工作电压取决于电解液的分解电压，参见Baughman，R.H.e. a. Science2002, 297，787-792。对于采用水电解液的对称电极电容，超级电容器的工作电压不会超过 IV，参见Frackowiak, E. ; Beguin, F. Carbon2002, 40, (10)，1775-1787。如果采用非对称电极设计，水电解液体系电容的工作电压可以达到2V，参见Ma, S. B. ;Nam, K. W. ; Yoon, W. S. ; Yang, X. Q. ; Ahnj K. Y. ; Ohj Κ. H. ;Kim, Κ. B. Electrochemistry Communicatio ns2007, 9, (12)，2807-2811。即便将水电解液替换为非水电解液，如有 机电解液或离子液体， 电容的工作电压也就在 4V 左右，参见Lazzari, M. ; Soavij F. ;Mastragostino，M. Journal of Power Sources2008, 178, (1),490-496ο由于电解液的分解电压的限制，在目前的超级电容器技术体系下进一步提高超级电容器的工作电压是很困难的。
发明内容
本发明针对目前超级电容器低工作电压的缺点，提供一种基于纳米介电材料层的高能量密度超级电容器，该超级电容器采用具有高耐压能力的介电材料层覆盖在超级电容器电极材料表面，从而达到大幅提高超级电容器工作电压，提高超级电容器能量密度的目的。
本发明的技术方案
一种基于纳米介电材料层的高能量密度超级电容器，由正极、负极、纳米介电层、 电解液和电容外接引线构成，作为导电电极的正极和负极具有高比表面积，纳米介电层包覆在正极和负极的表面，包覆有纳米介电层的正极和负极浸没于电解液中，所述正极和负极为镍-碳纳米管复合电极、铝-碳纳米管复合电极、铜-碳纳米管复合电极或或泡沫镍-碳纳米管复合电极、泡沫铝-碳纳米管复合电极、泡沫铜-碳纳米管复合电极或泡沫铝阳极氧化处理电极；纳米介电层为Al2O3或Ta2O5，厚度为10-500nm ;电解液为质量百分比浓度为O. 1-50%的KCl水溶液或KOH水溶液。
所述纳米介电层包覆在正极和负极的表面的方法为电泳法、物理气相沉积法或化学气相沉积法。
本发明的工作机理
该超级电容器导电电极表面覆盖一层由具有高耐击穿电压能力的纳米介电层材料组成耐压层，电容电压降主要由纳米介电材料层承担，且导电电极不直接与电解液接触， 从而既能保持电容的高电容量，同时电容的耐击穿电压能力比传统超级电容器相比有大幅提高，致使该超级电容器可以在更高电压下工作，其能量密度与传统超级电容器相比有很大提闻。
本发明的优点是
该超级电容器采用在传统超级电容器电极材料表面覆盖具有高耐击穿电压能力的由介电材料组成的耐压层，可大幅提高超级电容器的工作电压，从而提高超级电容器的能量密度。
附图为该超级电容器结构示意图。
图中1.正极2.负极3.电解液4.纳米介电层5.电容外接引线具体实施方式
以下通过实施例讲述本发明的详细过程，提供实施例是为了理解的方便，绝不是限制本发明。
实施例1 :
一种基于纳米介电材料层的高能量密度超级电容器，如附图所示，由正极1、负极2、纳米介电层3、电解液4和电容外接引线5构成，作为导电电极的正极和负极具有高比表面积，纳米介电层包覆在正极和负极的表面，包覆有纳米介电 层的正极和负极浸没于电解液中，所述正极和负极为泡沫镍-碳纳米管复合电极，纳米介电层为Al2O3、厚度为20nm，电解液为质量百分比浓度为1%的KCl水溶液；其制备方法步骤如下
I)将多壁碳纳米管分散在乙醇中，加入质量百分比为O. 5%的MgNO3，充分混合。
2)以泡沫镍板作为负极，采用电泳法将多壁碳纳米管沉积在泡沫镍板上；
3)将粒度为20-40nm的Al2O3分散在酒精中，加入质量百分比为O. 5%MgN03,混合均匀；
4)以沉积有碳纳米管的镍电极为基板，采用电泳法在电极上沉积Al2O3,在碳纳米管表面包覆纳米介电层；
5)将包覆纳米介电层的正极、负极、电解液和电容外接引线组装后即可制得高能量密度超级电容器。
测试结果表明该超级电容器的工作电压不低于10V，能量密度不低于500Wh/kg。
实施例2
一种基于纳米介电材料层的高能量密度超级电容器，正极和负极为泡沫铜-碳纳米管复合电极，纳米介电层为Ta2O5、厚度为20nm，电解液为质量百分比浓度为10%的KCl水溶液，其制备方法步骤如下
I)将多壁碳纳米管分散在乙醇中，加入质量百分比为O. 5%的MgNO3，充分混合。
2)以泡沫铜板作为负极，采用电泳法将多壁碳纳米管沉积在泡沫铜板上；
3)将粒度为20_40nm的Ta2O5分散在酒精中，加入质量百分比为O. 5%MgN03,混合均匀；
4)以沉积有碳纳米管的铜电极为基板，采用电泳法在电极上沉积Ta2O5，在碳纳米管表面包覆纳米介电层；
5)将包覆纳米介电层的正极、负极、电解液和电容外接引线组装后即可制得高能量密度超级电容器。
测试结果表明该超级电容器的工作电压不低于10V，能量密度不低于500Wh/kg。
实施例3
一种基于纳米介电材料层的高能量密度超级电容器，正极和负极为泡沫铝-碳纳米管复合电极，纳米介电层为Al2O3、厚度为20nm，电解液为质量百分比浓度为5%的KOH水溶液，其制备方法步骤如下
I)将多壁碳纳米管分散在乙醇中，加入质量百分比为O. 5%的MgNO3，充分混合。
2)以泡沫铝板作为负极，采用电泳法将多壁碳纳米管沉积在泡沫铝板上；
3)将粒度为20-40nm的Al2O3分散在酒精中，加入质量百分比为O. 5%MgN03,混合均匀；
4)以沉积有碳纳米管的铝电极为基板，采用电泳法在电极上沉积Al2O3,在碳纳米管表面包覆纳米介电层；
5)将包覆纳米介电层的正极、负极、电解液和电容外接引线组装后即可制得高能量密度超级电容器。
测试结果表明该超级电容器的工作电压不低于10V，能量密度不低于500Wh/kg。
实施例4:
一种基于纳米介电材`料层的高能量密度超级电容器，正极和负极为镍碳纳米管复合电极，纳米介电层为Ta2O5、厚度为20nm，电解液为质量百分比浓度为10%的KOH水溶液， 其制备方法步骤如下
I)将多壁碳纳米管分散在乙醇中，加入质量百分比为O. 5%的MgNO3，充分混合。
2)以厚度为O. 5mm的金属镍片作为负极，采用电泳法将多壁碳纳米管沉积在镍片上;
3)将粒度为20_40nm的Ta2O5分散在酒精中，加入质量百分比为O. 5%MgN03,混合均匀；
4)以沉积有碳纳米管的镍电极为基板，采用电泳法在电极上沉积Ta2O5,在碳纳米管表面包覆纳米介电层；
5)将包覆纳米介电层的正极、负极、电解液和电容外接引线组装后即可制得高能量密度超级电容器。
测试结果表明该超级电容器的工作电压不低于10V，能量密度不低于500Wh/kg。
实施例5
一种基于纳米介电材料层的高能量密度超级电容器，正极和负极为铝-碳纳米管复合电极，纳米介电层为Al2O3、厚度为20nm，电解液为质量百分比浓度为10%的KCl水溶液，其制备方法步骤如下
I)将多壁碳纳米管分散在乙醇中，加入质量百分比为O. 5%的MgNO3，充分混合。
2)以厚度为O. 5mm的金属铝片作为负极，采用电泳法将多壁碳纳米管沉积在铝片上;
3)将粒度为20-40nm的Al2O3分散在酒精中，加入质量百分比为O. 5%MgN03,混合均匀；
4)以沉积有碳纳米管的铝电极为基板，采用电泳法在电极上沉积Al2O3,在碳纳米管表面包覆纳米介电层；
5)将包覆纳米介电层的正极、负极、电解液和电容外接引线组装后即可制得高能量密度超级电容器。
测试结果表明该超级电容器的工作电压不低于10V，能量密度不低于500Wh/kg。
实施例6
一种基于纳米介电材料层的高能量密度超级电容器，正极和负极为铜碳纳米管复合电极，纳米介电层为Ta2O5、厚度为20nm，电解液为质量百分比浓度为5%的KOH水溶液，其制备方法步骤如下
I)将多壁碳纳米管分散在乙醇中，加入质量百分比为O. 5%的MgNO3，充分混合。
2)以厚度为O. 5mm的金属铜片作为负极，采用电泳法将多壁碳纳米管沉积在铜片上;
3)将粒度为20-40nm的Ta2O5分散在酒精中，加入质量百分比为O. 5%MgN03,混合均匀；
4)以沉积有碳纳米管的铜电极为基板，采用电泳法在电极上沉积Ta2O5，在碳纳米管表面包覆纳米介电层；
5)将包覆纳米介电层的正极、负极、电解液和电容外接引线组装后即可制得高能量密度超级电容器。
测试结果表明该超级电容器的工作电压可达30V，能量密度不低于400Wh/kg。
实施例7
一种基于纳米介电材料层的高能量密度超级电容器，正极和负极为泡沫铝阳极氧化处理电极，纳米介电层为Al2O3, Al2O厚度为15nm，电解液为质量百分比浓度为10%的KCl 水溶液，其制备方法步骤如下
I)将泡沫铝在10%硼酸水溶液中，在300V直流电压下，以铝作为阳极进行阳极氧化处理，获得厚度为15nm的纳米Al2O3介电层。
2)将阳极氧化后的泡沫铝作为超级电容器电极，采用10%KC1水溶液为电解液，制作超级电容器。
测试结果表明该超级电容 器的工作电压可达30V，能量密度不低于400Wh/kg。
权利要求
1.一种基于纳米介电材料层的高能量密度超级电容器，其特征在于由正极、负极、纳米介电层、电解液和电容外接引线构成，作为导电电极的正极和负极具有高比表面积，纳米介电层包覆在正极和负极的表面，包覆有纳米介电层的正极和负极浸没于电解液中，所述正极和负极为镍-碳纳米管复合电极、铝-碳纳米管复合电极、铜-碳纳米管复合电极或或泡沫镍-碳纳米管复合电极、泡沫铝-碳纳米管复合电极、泡沫铜-碳纳米管复合电极或泡沫铝阳极氧化处理电极；纳米介电层为Al2O3或Ta2O5，厚度为10-500nm ;电解液为质量百分比浓度为O. 1-50%的KCl水溶液或KOH水溶液。
2.根据权利要求1所述基于纳米介电材料层的高能量密度超级电容器，其特征在于所述纳米介电层包覆在正极和负极的表面的方法为电泳法、物理气相沉积法或化学气相沉积法。
全文摘要
一种基于纳米介电材料层的高能量密度超级电容器，由正极、负极、纳米介电层、电解液和电容外接引线构成，作为导电电极的正极和负极具有高比表面积，纳米介电层包覆在正极和负极的表面，包覆有纳米介电层的正极和负极浸没于电解液中，所述正极和负极为镍、铝、铜片或泡沫铝、泡沫镍、泡沫铜与碳纳米管复合电极或者泡沫铝阳极氧化处理电极；纳米介电层为Al2O3或Ta2O5，厚度为10-500nm；电解液为浓度0.1-50w%的KCl或KOH水溶液。本发明的优点是该超级电容器采用在传统超级电容器电极材料表面覆盖具有高耐击穿电压能力的由介电材料组成的耐压层，以提高超级电容器的工作电压，从而提高超级电容器的能量密度。
文档编号H01G11/46GK103065807SQ201310010809
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月11日 优先权日2013年1月11日
发明者姜训勇, 刘慧敏 申请人:天津理工大学