专利名称：天然矿物与纳米碳管复合超级电容器电极材料及制备方法
技术领域：
本发明涉及天然矿物与纳米碳管复合材料用作超级电容器电极材料及其制备方法。
背景技术：
超级电容器(supercapacitor)是一种新型的电容器，它的出现使得电容器的上限容量达到了法拉第(F)级的大容量。随着它在移动通讯、信息技术、航空航天和国防科技等领域的不断应用，越来越受到人们的关注。
超级电容器按储能机理可分为两类一类是电极材料采用高比表面积电极材料如活性炭，纳米碳管的电容器，这类电容器是基于碳电极/电解液界面电荷分离所产生的双电层，又称为双电层电容器(doule-layer capacitor)；另一类是电极材料采用过渡金属氧化物电极材料如RuO2、MnO2、NiO2、Co2O3的电容器，这类电容器是利用在氧化物电极表面及体相中发生的氧化还原反应而产生吸附电容即法拉第准电容，又称为电化学电容器(electrochemical capacitor)。
电极材料从极大程度上影响着超级电容器的性能，采用高比表面积的活性炭系列材料和过渡金属氧化物系列材料复合作电容器电极材料所制备的电容器，同时具有双电层电容和法拉第准电容，能够最大程度的提高电容器的容量和能量密度。
纳米碳管具有巨大的比表面积和丰富的表面特性，在超级电容器领域具有潜在优势。和传统的活性炭相比，纳米碳管具有独特开孔结构，结晶度好，导电性强，比表面积利用率高，有利于获得大容量和优异的循环使用寿命。
一些天然矿物比表面积巨大，价格低廉，开发利用过程能耗极低，没有环境方面的负面效应。海泡石，坡缕石具有和纳米碳管和纳米碳纤维类似的显微结构；大洋锰结核中锰的氧化物有20余种，还含有Fe、Ni、Co等过渡金属元素。利用天然矿物的结构特征与物理化学性质开发新型超级电容器电极材料，无疑将大大提高自然资源的附加值。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够同时提高电容器的容量和能量密度的天然矿物与纳米碳管复合超级电容器电极材料及其制备方法。
本发明的超级电容器电极材料由纳米碳管和天然矿物复合而成，其中，纳米碳管的重量含量为95％-40％，天然矿物的重量含量为5％-60％。
上述的纳米碳管可以是多壁纳米碳管，单壁纳米碳管或者其混合物，也可以是纳米碳纤维或者纳米碳管与纳米碳纤维的混合物，天然矿物可以是大洋锰结核，坡缕石或海泡石。
发明的超级电容器电极材料的制备方法，有机械球磨混合与原位复合两种技术方案。
方案1，步骤如下按配比取纳米碳管和天然矿物粉末，在不锈钢罐中氩气保护下机械球磨充分混合，将混合好的复合粉末取出，与PTFE乳液按复合粉末∶PTFE乳液＝70％-95％∶5％-30％的重量百分比均匀混合，干燥后使用油压机压制成一定几何状的电极，组装成为超级电容器结构单元。
方案2，步骤如下以矿物粉末作为催化剂，将其置于钼舟中，放入温度为500-900℃的卧式电炉的恒温区中，通入乙炔气体和氮气或其他惰性气体反应10-30min，得到矿物与纳米碳管和纳米碳纤维的原位复合材料，与PTFE乳液按复合材料∶PTFE乳液＝70％-95％∶5％-30％的重量百分比均匀混合，干燥后使用油压机压制成一定几何状的电极，组装成为超级电容器结构单元。
本发明采用天然矿物与纳米碳管复合作为超级电容器电极材料，一方面利用了纳米碳管、天然矿物高比表面积的性能获得双电层效应，另一方面利用矿物中过渡金属的氧化还原性能获得法拉第准电容。应用该材料制得的超级电容器结构单元具有高电容器的容量和能量密度，其电解液为6MKOH，比电容量达到125F/g。本发明为自然资源的合理开发利用提供了新的发展思路。
具体实施例方式
实施例1将重量比为纳米碳管∶大洋锰结核＝85∶15的粉末在不锈钢罐中氩气保护下机械球磨充分混合。将球磨混合好的粉末取出，与聚四氟乙烯(PTFE)乳液按粉末∶PTFE＝85％∶15％的重量百分比均匀混合，干燥后使用油压机压制成一定直径，厚度为2mm左右的电极，组装成为超级电容器结构单元。测得其比电容量为125F/g。
实施例2将锰结核粉末置于钼舟中，氮气作为保护气体，在750℃卧式电炉中通乙炔气体15min，得到锰结核与纳米碳管及纳米碳纤维的原位复合材料。收集产物，与PTFE乳液按粉末∶PTFE＝85％∶15％的重量百分比均匀混合，干燥后使用油压机压制成一定直径，厚度为2mm左右的电极，组装成为超级电容器结构单元。
实施例3将海泡石粉末放在钼舟中，氮气保护下，在750℃卧式电炉中通乙炔气体15min，得到海泡石与纳米碳管的原位复合材料。与PTFE乳液按粉末∶PTFE＝85％∶15％的重量百分比均匀混合，干燥后使用油压机压制成一定直径，厚度为2mm左右的电极，组装成为超级电容器结构单元。
权利要求
1.一种超级电容器电极材料，其特征在于它由纳米碳管和天然矿物复合而成，其中，纳米碳管的重量含量为95％-40％，天然矿物的重量含量为5％-60％。
2.根据权利要求1所述的超级电容器电极材料，其特征在于所说的天然矿物为大洋锰结核、坡缕石或海泡石。
3.根据权利要求1所述的超级电容器电极材料，其特征在于所说的纳米碳管是单壁纳米碳管或多壁纳米碳管或者单壁纳米碳管与多壁纳米碳管的混合物。
4.根据权利要求1所述的超级电容器电极材料，其特征在于所说的纳米碳管是纳米碳纤维或者纳米碳管与纳米碳纤维的混合物。
5.权利要求1所述的超级电容器电极材料的制备方法，其特征是步骤如下按配比取纳米碳管和天然矿物粉末，在不锈钢罐中氩气保护下机械球磨充分混合，将混合好的复合粉末取出，与PTFE乳液按复合粉末∶PTFE＝70％-95％∶5％-30％的重量百分比均匀混合，干燥后使用油压机压制成一定几何状的电极，组装成为超级电容器结构单元。
6.权利要求1所述的超级电容器电极材料的制备方法，其特征是步骤如下以矿物粉末作为催化剂，将其置于钼舟中，放入温度为500-900℃的卧式电炉的恒温区中，通入乙炔气体和氮气或其他惰性气体反应10-30min，得到矿物与纳米碳管和纳米碳纤维的原位复合材料，与PTFE乳液按复合材料PTFE＝70％-95％∶5％-30％的重量百分比均匀混合，干燥后使用油压机压制成一定几何状的电极，组装成为超级电容器结构单元。
全文摘要
本发明涉及超级电容器电极材料，它由纳米碳管和天然矿物复合而成，其中，纳米碳管的重量含量为95％－40％，天然矿物的重量含量为5％－60％。该材料是采用机械球磨或者原位生长的方法制得的。本发明的超级电容器电极材料，一方面利用了纳米碳管、天然矿物高比表面积的性能获得双电层效应，另一方面利用矿物中过渡金属的氧化还原性能获得法拉第准电容。应用该材料制得的超级电容器结构单元具有高电容器的容量和能量密度，本发明为自然资源的合理开发利用提供了新的发展思路。
文档编号H01G9/042GK1547227SQ20031010913
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月5日 优先权日2003年12月5日
发明者杨晓芳, 张孝彬, 程继鹏, 李昱, 黄宛真, 叶瑛, 涂江平, 张文魁, 韩杰 申请人:浙江大学