超级电容器及其制备方法与流程

本发明属于超级电容技术领域，具体涉及超级电容器及其制备方法。

背景技术：

超级电容器：是一种新型储能装置，其容量为普通电容器的1000倍以上，不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间的储能器件，既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电池的储能特性，但其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，故可反复充放电十万次以上，最明显特点：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，用途广泛。

超级电容器结构是由电极材料、集流体、多孔性电池隔膜及电解液组成，电极材料与集流体紧密相连作为电极，目前广泛应用的超级电容器都是三明治夹层结构，即由两层电极中间填充电解质构成；

超级电容器中的双电层电容器，其电容的产生主要基于电极/电解液上电荷分离所产生的双电层电容，目前制约超级电容器广泛应用的一个关键问题在于其能量密度低，能量密度与电极材料的电容值成正比，与操作电压的平方成正比，即：w＝1/2cv²，提高工作电压是实现高能量密度的关键。

为提高超级电容器的能量密度进行超级电容器的工作电压的提高研究，国内外都集中于研究新型高电压工作的电解液和电极材料的改性。

超级电容器用电解液主要采用水系电解液，水系电解液工作电压一般不超过1v，但与有机电解液相比，水系电解液的导电性较好，价格较低，而且比较环保。采用有机电解液能提高超级电容器的工作电压(2.3-2.7v)，可用于3v的离子液体电解液也有报导，但是也因制备成本高，工业化生产也难以接受。

而各种电极材料的改性，新材料的涌现，可能会有一些提高，但是几年内难以实现工业化，电容器能量密度提升速度慢。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种超级电容器的制备方法，从硬件技术角度，通过电极结构改进来提高超级电容器的工作电压。

超级电容器，包括电解池，其特征在于，所述的电解池由隔膜隔开分为正电解池、负电解池，所述的正电解池、负电解池内均有电极材料和电解液，所述的电极材料为碳纳米材料；正电解池、负电解池内分别有电极。

该超级电容器的制备方法，包括以下步骤：

(1)碳纳米材料具有很高的导电性和比表面积，但是在溶液中存在疏水和团聚现象，为了增加电极材料对正负电荷的吸附性，增大其比表面积和溶解性，防止团聚，碳纳米材料加入分散剂中，混合后的悬浮液升温至40～60℃，进行超声处理，混合均匀。超声波瞬间释放的压力破坏了碳纳米材料主要是石墨烯层与层之间的范德华力，使得石墨烯更加不容易团聚在一起，进一步提高碳纳米材料的分散性；

碳纳米材料，具体为石墨烯。

所述的分散剂为聚乙烯醇溶液，配制方法为：将聚乙烯醇与体积比浓度为93～95％的乙醇与混合，其中乙醇与聚乙烯醇的质量比为1.2～6.5。

(2)将步骤(1)所得的溶液导入电解液中混合均匀；

所述的电解液为水系电解液或有机电解液，所述的水系电解液为体积比30％的h2so4溶液；是由硫酸和蒸馏水按一定比例配制而成，密度一般为：1.24～2.0g/cm³。h2so4具有较低的凝固点，无沉积结晶。

所述的有机电解液，包括电解质盐和非水溶剂，电解质盐至少含有一种离子液体，非水溶剂至少含有一种氟化醚，采用氟化醚作为离子液体的溶剂，可以改善电解液的离子传输行为，提高电容器的功率特性，而且是一种阻燃材料，可提高电解液的耐火性和安全性。

具体的电解液，溶剂为碳酸丙烯酯，溶质为1mol/l的一甲基三乙基四氟硼酸铵，溶剂和溶质混合体积比例为5：1。

(3)将步骤(2)的混合液倒入电解池中，电解池中间以不导电绝缘的隔膜分割成正负电解池；将充电电压两个棒状电极分别放至正负电解池中。

所用隔膜可以选用聚丙烯膜、隔膜纸、无纺布、高分子半透膜，优选的为聚丙烯无纺布作为隔膜，厚度为50um，隔膜基本性能为：16.1g/m²,厚度：40um,孔隙率达到60％以上，平均孔径：0.3um。

本发明提供的超级电容器及其制备方法，改变了电极与电介质的分布结构，电极极化的不是隔膜而是电极池中与纳米碳材料(石墨烯，碳纳米管)接触的液体电介质，实现了电容器充电电压高和电池电极面积大两大优势，并且功率密度、可循环性和充电速度也有了很大提高。

和传统平板电容不同，本发明提供的超级电容器巧妙的电极与电介质分布结构，使其在极板面积和充电电压大幅增加的同时，质量增加很小，因此获得很高的能量密度，使用目前市面材料即可达到2-3千瓦时/kg(仅包括正负极和电介质材料)的水平，在计算封装材料等附属重量的情况下，仍可达到1度多电的能量密度，远远超过现有主流锂离子电池水平。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

本发明的超级电容器，改变了电极与电介质的分布结构，电极极化的不是隔膜而是电极池中与电极材料即纳米碳材料接触的液体电介质。如图1所示，隔膜8两侧分别为正电解池3、负电解池4，正电解池3、负电解池4内有电极材料5，在正电解池3内，电极材料5表面有感应负电荷6，电极材料5内壁上有正电荷1；在负电解池4内，电极材料5表面有感应正电荷7，电极材料5内壁上有负电荷2。具体的制备方法，如以下实施例。

实施例1

1.将石墨烯颗粒溶入聚乙烯醇(pva)中，然后进行超声处理，得到混合均匀的电极材料溶液，具体过程为：

1)其中所用石墨烯颗粒基本特性为：堆积密度0.045～0.08g/ml,粒径<5um,碳含量>99.5％；

2)聚乙烯醇溶液配制方法为：将体积比浓度为93～95％的乙醇与聚乙烯醇(80-120目，粘度：44-56mpa.s,ph值：5-7)混合，其中乙醇与聚乙烯醇的质量比为1.2～6.5；

3)将混合后的溶液升温至40～60℃，进行超声处理，混合均匀。

2.将步骤1中溶液导入电解液中，本方案采用30％的h2so4电解液,将密度为1.84g/cm³的98％的浓硫酸30.6ml,加入69.4ml蒸馏水进行混合，配制成100ml的30％的电解液；

3.将混合后步骤2中溶液导入方形电解池中，中间以不导电绝缘隔膜分开，所用隔膜为聚丙烯(pp)无纺布作为隔膜，厚度为50um，隔膜基本性能为：16.1g/m²,厚度：40um,孔隙率达到60％以上，平均孔径：0.3um左右，该材料绝缘性能好，化学性能稳定，空隙率高；

4.将充电电压两个棒状电极分别放至正负电解池中，打开电源即可对电容器进行充电。

实施例2

1.将石墨烯材料溶入聚乙烯醇(pva)中，然后进行超声处理，得到混合均匀的电极材料溶液，具体过程为；

1)其中所用石墨烯颗粒基本特性为：堆积密度0.045～0.08g/ml,粒径<5um,碳含量>99.5％；

2)聚乙烯醇溶液配制方法为：将体积比浓度为93～95％的乙醇与聚乙烯醇(80-120目，粘度：44-56mpa.s,ph值：5-7)混合，其中乙醇与聚乙烯醇的质量比为1.2～6.5；

3)将混合后的溶液升温至40～60℃，进行超声处理，混合均匀。

2.将1中溶液导入电解液中，本方案采用的是有机电解液，e溶剂为：pc(碳酸丙烯酯)，溶质为：meet3nbf4(一甲基三乙基四氟硼酸铵)1mol/l,密度为1.2g/cm³，混合体积比例为5：1；

3.将混合后2中溶液导入方形电解池中，中间以不导电绝缘隔膜分开，所用隔膜为聚丙烯(pp)无纺布作为隔膜，厚度为80um，隔膜基本性能为：16.1g/m²,厚度：40um,孔隙率达到60％以上，平均孔径：0.3um左右；

4.将充电电压两个棒状电极分别放至正负电解池中，打开电源即可对电容器进行充电。