一种含钛的超级电容器电极材料及其制备方法_2

文档序号:9398057阅读:来源:国知局
器电极材料,由 以下重量比成分组成:TiN:乙炔黑:聚偏二氟乙烯=75:10:5。
[0036] 本发明制备含钛的超级电容器电极材料的方法,其中活性物质TiN的制备包括以 下步骤:
[0037] a、原料准备:按照重量比,取纳米二氧化钛:PEG2000 = 1:0. 1~0. 3 ;
[0038] b、混合干燥:分别对纳米二氧化钛和PEG2000加入去离子水或者乙醇溶解后,再 将两种溶液搅拌混合均匀,在80°C下恒温干燥,直至溶剂蒸干;
[0039] c、氮化钝化:b步骤将干燥后的混合物在氨气流中利用程序升温法将其氮化,再 在含1% 02的N2中钝化12h,得到TiN。
[0040] 程序升温反应法(是将氧化物前体置于石英反应器中,氮化气(NH3)通过氧化物 床层,采用缓慢的升温速率,高制备气体空速,检测反应出口气体的组成来确定反应的进程 并终止反应,从而得到高比表面积的碳化物和氮化物。由于所得的产物比表面积较高,并且 表面有NHx(X = 1~3)和H等活泼物种,遇到空气中的氧会发生燃烧反应而不能稳定存在, 所以在暴露空气前要用含有微量氧的惰性气体钝化。新制备的高比表面样品在空气中极易 燃烧,为防止燃烧发生,将样品置于含1 %的〇2的N 2中钝化12小时,使表面形成一层钝化 膜。实验完毕后将样品到入细口瓶中放入干燥器中干燥备用。
[0041] 进一步的,作为更优选的技术方案,上述所述制备含钛的超级电容器电极材料的 方法,a步骤中按照重量比,取纳米二氧化钛:PEG2000 = 1:0. 15。
[0042] 很多用作超级电容器的电极材料为氧化性钛,而其比电容和可逆性都有待改善。 氮化钛因其是过渡金属,在氮化钛的晶体结构中,氮原子占据立方或六方密堆积金属晶格 的间隙,倾向于形成可在一定范围内变动的非计量间隙化合物。金属钛的d轨道可以互相 重叠,固态时有类似金属的导电性。氮化钛是由杂原子N进入金属Ti的晶格而产生的一种 间充化合物,结合了共价化合物、离子晶体及过渡金属三种物质的性质,具有特殊的物理和 化学性质。过渡金属氮化钛是填隙式化合物,它具有高熔点、高硬度、高温化学稳定性以及 良好的导热、导电性。
[0043] 上述所述制备含钛的超级电容器电极材料的方法,为了更好的是原料混合均匀, 使得本发明中原料之间形成更好的镶嵌和结合,且花费时间较少,其中b步骤中混合均匀 采用频率为5~20KHZ的超声波超声15~20min,另外,因为纳米二氧化钛的粒径很小,普 通混合时可能会产生颗粒之间的粘附或者团聚,超声就可以很好的防止这些情况。
[0044] 上述所述制备含钛的超级电容器电极材料的方法,其中c步骤中氮化具体为:将 石英管置于管式电阻炉中,在升温前先通NH 3,将石英管内空气除净,在氨气气氛下,先快速 升温至327~527°C后,以0. 5~3°C ·π?η 1升温至727~1027°C,恒温1~3h后,在氨气 气氛下缓慢自然冷却至室温并保持12h,其中,控制氨气流速为1. 5~3mL *s ^ NH3由石英 管的一端进入,从另一端排出,尾气用酒精灯燃烧后排出室外。
[0045] 加入聚乙二醇(PEG2000)有利于提高电化学活性和比电容值。因为复合电极材料 既具有双电层电容,又具有赝电容,复合材料的总体电容明显高于单个材料的电容,实验结 果表明金属氮化钛加入多醇类物质可以提高电化学活性和比电容。
[0046] 在电阻炉中加热时,升温的速度不宜过快,恒温时的温度不宜过低,否则影产品的 质量。
[0047] 本发明超级电容器的制备方法,包括以下步骤:
[0048] ①、电极材料活性物质的制备:按照上述所述一种含钛的超级电容器电极材料的 制备方法制备电极材料活性物质TiN ;
[0049] ②、电极的制备:按照上述所述一种含钛的超级电容器电极材料的质量比,准备 TiN、乙炔黑和聚偏二氟乙烯,混合,再滴加 N-甲基吡咯烷酮和无水乙醇配成膏状物,涂敷 在电极片上,涂敷密度彡〇. 〇7mg · cm 2;再在真空中100~150°C下干燥12~2h,用8~ IOMPa压力压片,即得;
[0050] ③、电容器组装:以②步骤制得的相同质量的电极片为正负极,以1~3mol/L的 氏30 4溶液作为电解液,在两电极片中间设置隔膜,组装成超级电容器。
[0051] 上述所述超级电容器的制备方法,步骤②中电极片的材料为泡沫镍集流体、镍网 或者钛片中的一种。
[0052] 涂覆密度为不高于0. 07mg/m2,涂覆密度越低,电容值越高,用液压机或者压片机 于8~IOMPa下压制成电极片。
[0053] 上述所述超级电容器的制备方法,钛片需要在室温下,在0. lmol/L的HCl中超声 洗涤,去除表面层的氧化物,然后用二次水洗涤,在真空干燥箱中l〇〇°C下干燥12h。
[0054] 将TiN、乙炔黑和聚偏二氟乙烯混合后,再滴加适量N-甲基吡咯烷酮和无水乙醇 配成膏状物,能保证混合物在电极片上不脱落即可,由于膏状物也利于混合过程尽量保证 均匀,如果加入的N-甲基吡咯烷酮和无水乙醇较多,可以等乙醇挥发后,再涂覆。
[0055] 上述所述超级电容器的制备方法,其中步骤③中隔膜为电容器常用隔膜,应满足 以下要求:1、是电子的绝缘体,离子的良导体;2、化学稳定性好,吸液、保液性强;3、隔离性 能好,机械强度高;4、组织成分均匀,平整,厚度一致,无机械杂质;5、具有一定的柔韧性。 所以优选为聚丙烯膜,隔膜纸,无纺布,高分子半透膜中的一种。
[0056] 本发明实施例以及对比例中所用到的仪器以及化学试剂如下: SK2-1. 5-13Τ(Φ 18X180mm) ;LZB-4F 玻璃转子流量计;DM-6801 热电偶;YQA-401 减压阀; TG328A电光分析天平;AUTOLAB PGSTAT302N电化学工作站;纳米TiO2 (分析纯);NH3 (纯度 为 99. 99% )。
[0057] 其中,比电容的计算公式为:
[0058] - amu
[0059] i 一放电电流;
[0060] t 一放电时间;
[0061] a一实际有用的电极材料百分含量;
[0062] m-电极材料总质量;
[0063] u-扣除电压降的那部分电压。
[0064] 下面结合实施例对本发明的【具体实施方式】做进一步的描述,并不因此将本发明限 制在所述的实施例范围之中。
[0065] 实施例1
[0066] 分别将0. 9克的1102和0. 135g聚乙二醇(PEG2000)置于干净的烧杯中,再分别 加入去离子水或乙醇溶解,将混合物搅拌均匀,超声混合15~20分钟后,在80°C恒温干燥 箱内放置将溶剂蒸干。观察到烧杯内物质混合均匀后,室温下冷却后形成固体。将此混合 物在氨气流中利用程序升温法氮化。
[0067] 将石英管置于管式电阻炉中,在升温前先通NH3,氨气的流速控制在I. 7mL *s、将 石英管内空气除净,快速升温至427°C后,以TC · min 1升温速率升到927°C,并恒温两小 时,慢慢自然冷却至室温并保持12小时,然后在NH3的气氛中缓慢冷却至室温。NH 3由石英 管的一端进入,从另一端排出,尾气用酒精灯燃烧后排出室外。
[0068] 将样品置于含1% 02的N2中钝化12小时,使表面形成一层钝化膜。样品放在干 燥箱中干燥备用。经XRD和FE - SEM测试制备的纳米TiN粒径小于20nm。
[0069] 电极材料是由活性物质TiN/乙炔黑/聚偏二氟乙烯(PVDF)按质量比85/10/5称 取混合,再滴加适量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)和无水乙醇配成膏状物,把糊状物均匀地涂 敷于泡沫镍集流体上,涂覆密度为0. 07mg/m2,在KKTC下真空干燥12h,用液压机于SMPa下 压制成电极片。在两片质量相同的电极片中间放置隔膜,以lmol/L的H 2SO4溶液作为电解 液,组成尺寸为4cm X 2cm X 0. 5cm的对称超级电容器。
[0070] 电容性能采用循环伏安法进行表征,实验在AUTOLAB PGSTAT302N电化学工作站上 进行,结果图形近似为矩形,附图1曲线为电极CV曲线,该曲线说明主要为双电层电容。同 时,也出现了一对可逆的氧化还原峰,表明也存在赝电容,有效的增加了总的电容。
[0071] 电化学交流阻抗谱(EIS
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