纳米片自组装的超级电容器电极的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超级电容器领域，具体为一种超薄Ti3C2纳米片自组装的超级电容器 电极的制备方法。
【背景技术】
[0002] 当前，能源问题是影响人类未来生存和发展的主要问题之一。由于自然资源日趋 短缺，为实现可持续发展，新能源和环保技术的开发和利用成为当前十分紧迫的课题。而超 级电容器具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，被认为 是一种可以部分或全部替代传统的化学电池的高能化学电源。
[0003] 超级电容器又叫电化学电容器，它是一种电化学元件，按储能机理来分，其可分为 双电层电容器（EDLC)，氧化还原型电化学电容器（赝电容器），双电层电容器和赝电容器 的混合体系。尽管目前具有许多潜在的材料和器件构造，双电层电容器是电化学电容器中 发展最快的，并且已经占领了市场。双电层电容器是一个能够在一个静电场储能而非化学 形式储能的无源元件，其可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在 极板上加电场，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，从而形成两个容性存储 层，其储能的过程并不发生化学反应，储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复 充放电数十万次。在超级电容器的研宄中，电极材料是影响电化学电容性能的核心因素之 一，是当前研宄的热点。
[0004] 目前，电容器用电极材料主要有：碳基电极材料、金属氧化物基电极材料和导电聚 合物基电极材料。碳电极的研宄主要集中在制备高比表面积的多孔电极上，可用作超级电 容器电极的碳材料主要有：活性炭粉末、纳米碳管、炭黑、纳米碳纤维、玻璃碳、碳气凝胶以 及石墨稀等。文献Nano Letter, 11,2472,（2011)利用N掺杂的还原型氧化石墨稀，在水 系电解质中获得282F P的比容量，是目前单一体系碳材料中所能达到的最大比容量。碳 材料虽然具有非常高的比表面积，但是其内阻较大，导电性较差，并且正极比容量相对比较 低，这必将影响到电容器的整体性能。另外一类研宄最广泛的电极材料为金属氧化物，其 中以RuO 2等贵金属研宄最多。由于RuO2的电导率比碳材料大两个数量级且电极在硫酸溶 液中稳定，所以获得了很高的比容量，制备的电容器比碳电极电容器具有更好的性能。RuO 2 材料在H2S04i解质中，比容量高达720~768F g Λ但是贵金属资源有限，并且价格昂贵， 这极大地限制了这类电极材料的大规模应用。最近，文献Nature, (2015)，DOI :10. 1038/ naturel3970,利用二维Ti3C2纳米材料类似粘土的特点通过棍压的方式制成超级电容器薄 膜电极，其5 μπι厚的电极比容量达到246F g'但是这种方式制得的电极其导电性不是很 好，而且在有外力的情况下，其片层之间的堆叠会更加紧密，离子扩散通道变窄，这必将影 响电容器的性能。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种超薄Ti3C2纳米片自组装的超级电容器电极的制备方 法，解决了现有超级电容器比容量低、价格昂贵等问题。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] -种超薄Ti3C2纳米片自组装的超级电容器电极的制备方法，包括如下步骤：
[0008] (1)以11#1(：2块体作为前驱体，浸泡到氢氟酸溶液中，通过HF选择性刻蚀掉 Ti3AlC2* Al原子层得到Ti 3C2粉末，用去离子水将其清洗、抽滤；然后将Ti 3C2粉末在分散 剂中分散，超声，再离心，上层液体即为超薄二维Ti3C 2纳米片悬浮液；
[0009] (2)将上述制得的Ti3C2纳米片悬浮液均匀涂覆在多孔导电基体上，低温烘干自组 装成复合型超级电容器电极；然后以离子通透膜作为隔膜，组装成对称型超级电容器，在酸 性电解液中进行电化学性能测试。
[0010] 所述的超薄Ti3C2纳米片自组装的超级电容器电极的制备方法，Ti #1(：2块体为无 压烧结的多孔体。
[0011] 所述的超薄Ti3C2纳米片自组装的超级电容器电极的制备方法，氢氟酸溶液浓度 3 ~22mol L 1O
[0012] 所述的超薄Ti3C2纳米片自组装的超级电容器电极的制备方法，进行超声处理的 Ti3C2粉末为湿态，未进行干燥。
[0013] 所述的超薄Ti3C2纳米片自组装的超级电容器电极的制备方法，Ti 3C2粉末的分散 剂为去离子水。
[0014] 所述的超薄Ti3C2纳米片自组装的超级电容器电极的制备方法，多孔导电基体为 泡沫镍。
[0015] 所述的超薄Ti3C2纳米片自组装的超级电容器电极的制备方法，低温烘干温度为 40 ~60°C〇
[0016] 所述的超薄Ti3C2纳米片自组装的超级电容器电极的制备方法，离子通透膜为混 合纤维滤膜隔膜。
[0017] 所述的超薄Ti3C2纳米片自组装的超级电容器电极的制备方法，所制得的超级电 容器具有高的比容量、优良的倍率性能和循环使用寿命，比容量达499F g'以IOOmV ?Γ1的 速率充放电其比容量保持为以2mV ?Γ1的速率充放电的70%，循环使用次数达数万次。
[0018] 本发明的优点及有益效果是：
[0019] 1、本发明采用无压烧结的Ti3AlC2多孔块体为作为前驱体与HF反应，反应温和，无 需多次添加，减小HF暴露大气的风险。
[0020] 2、利用制备的二维Ti3C2纳米片直接辊压成膜，其导电性较差，而且片层之间的堆 叠会更加紧密，离子扩散通道变窄，这会影响电容器的性能。本发明利用二维Ti 3C2纳米片 与多孔导电基体结合的方式制备复合电极，其导电性好，而且比容量大幅度提高。
[0021] 3、本发明电极的制作中活性物质是直接涂覆在导电基体上无需使用粘结剂或进 行特殊处理，滴加涂覆-低温烘干的这种自组装方法简单方便容易操作。此外，这种简单 的方法使得片层之间堆垛比较松散，更有利于充分利用电极材料的大的比表面进行离子扩 散，从而提尚电容器的性能。
【附图说明】
[0022] 图1为比较例中的所制备的电极材料的循环伏安曲线图；图中，横坐标potential V versus Ag/AgCl代表：电位（伏），内充参比液为Imol T1KCl溶液的Ag/AgCl电极为参 比电极；纵坐标Current (mA)代表电流（毫安）；
[0023] 图2a为实施例1中HF刻蚀Ti3AlC^的实时现象；
[0024] 图2b为实施例1中所制备的Ti3C2粉末的扫描电子显微镜图；
[0025] 图3a为实