一种碳-高贝利特水泥基超级电容器及其制备方法

本发明涉及超级电容器领域，具体涉及一种面向海上风能和太阳能储存的碳-高贝利特水泥基超级电容器及其制备方法。

背景技术：

1、在可再生能源系统中，风能和太阳能等能源的波动性很大，与用电高峰期不一致，亟需大型能源存储技术，高效的电能储存方法已成为电能从再生资源转换的关键。当前主要的电能储存技术包括锂离子电池、超级电容器、介电电容器等，与电池相比，超级电容器具有更高的功率密度和使用寿命；与介电电容器相比，它具有更高的能量密度。这些特征使其在储能设备中具有应用优势。

2、高贝利特水泥是以硅酸二钙为主导矿物的新品高性能水泥，具有烧成温度低、快硬、高强度、高耐久性等特点。“水泥储能”近年来异军突起，水泥有望成为绿色储能技术的最佳拍档。“水泥基超级电容器”将实现可再生绿色能源的廉价高效存储，助力完成能源体系的深度转型升级。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中的不足，满足能量存储的迫切需求，提供一种碳-高贝利特水泥基超级电容器及其制备方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种碳-高贝利特水泥基超级电容器，所述水泥基超级电容器包括两侧防水绝缘胶、铜箔电极、碳-高贝利特水泥基电解质，人工海水电解液。

4、一种如上述碳-高贝利特水泥基超级电容器的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)将高贝利特水泥与碳黑、碳纤维混合研磨并搅拌均匀，得到碳-水泥混合物；

6、(2)将聚合物胶粘剂加入碳-水泥混合物并研磨均匀，然后加入去离子水并搅拌得到水泥基浆体；

7、(3)将得到的浆体倒入模具，振动使水泥紧实，随后放入养护室养护至凝固成型，得到所述的碳-高贝利特水泥基电解质；

8、(4)将碳-高贝利特水泥基电解质单面贴上铜箔并引出导线后，用防水绝缘胶密封铜箔电极构成组件，最后将两片等同组件水泥面“面对面”浸渍在天然海水里得到碳-高贝利特水泥基超级电容器。

9、优选的，步骤(1)中，所述碳纤维和水泥的质量比(3～7)：(93～97)，碳黑和水泥的质量比(2～5)：(95～98)。

10、优选的，步骤(1)中所述研磨时间为10min-20min，优选为15min；所述搅拌时间为20min-30min，优选为25min。

11、优选的，步骤(2)中所述聚合物胶粘剂包括酚醛树脂和聚氨酯中的一种或者多种组合，聚合物胶粘剂和水泥的质量比为为0.005％～0.1％；水灰比为0.8～1.1；所述研磨时间为5min-10min；所述搅拌时间为15min-25min。

12、优选的，步骤(3)中所述养护室的温度为20±2℃，相对湿度控制在95％以上。

13、优选的，步骤(4)中，所述电极使用为铜箔；防水绝缘胶使用为液体绝缘胶带；电解液使用为人工海水，电容器使用前浸泡时间至少1h。

14、对于上述制得的碳-高贝利特水泥基超级电容器需要进行电学性能的测试。

15、电学性能测试主要为循环伏安测试(cv)、恒流充放电测试(gcd)和交流阻抗谱图(eis)。测试时需要将碳-高贝利特水泥基超级电容器组件浸泡在电解液(人工海水)中。

16、使用江苏东华分析仪器有限公司的dh7005电化学工作站进行电化学性能测试，循环伏安测试可以验证超级电容器的循环情况信息；恒流充放电曲线可以直接获得样品的比电容大小；交流阻抗谱图可以看出超级电容器内阻情况。伏安法测试扫描速率分别为100mv/s、600mv/s和1000mv/s，充放电循环次数为2次。

17、以水泥和碳纤维、碳黑、聚合物胶粘剂为例，以下简要说明本发明机理：

18、将具有高导电性的碳纤维、碳黑与水泥粉和水一起研磨搅拌形成混合物，聚氨酯等聚合物胶粘剂以溶液形式添加在水泥中，最终成型后养护并让其固化。当水与水泥发生反应时，水在结构中自然形成一个分支网络，碳迁移到这些空间中，在硬化的水泥中形成线状结构。这些结构具有类似分叉的结构，较大的分支会生出较小的分支，而这些分支会生出更小的分支，以此类推，最终在相对较小的体积范围内形成一个非常大的表面积。聚氨酯/酚醛在水泥水化过程与水化产物之间不仅发生了物理作用，还发生了化学作用，并通过这两种作用来影响水泥基材料的结构和性能。将这种碳-高贝利特水泥基电解质浸泡在电解液材料中时，比如人工海水，它会提供积聚在碳结构上的带电粒子。

技术特征：

1.一种碳-高贝利特水泥基超级电容器，其特征在于，所述水泥基超级电容器包括两侧防水绝缘封装、铜箔电极、碳-高贝利特水泥基电解质，人工海水电解液。

2.一种权利要求1所述的碳-高贝利特水泥基超级电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的碳-高贝利特水泥基超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述碳纤维和水泥的质量比(3～7)：(93～97)，碳黑和水泥的质量比(2～5)：(95～98)；所述研磨时间为10min-20min，搅拌时间为20min-30min。

4.根据权利要求2所述的碳-高贝利特水泥基超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述聚合物胶粘剂包括酚醛树脂和聚氨酯中的一种或者多种组合，聚合物胶粘剂和水泥的质量比为0.005％～0.1％，水灰比为0.8～1.1；所述研磨时间5min-10min，搅拌时间为15min-25min。

5.根据权利要求2所述的碳-高贝利特水泥基超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述养护室的温度为20±2℃，相对湿度控制在95％以上。

6.根据权利要求2所述的碳-高贝利特水泥基超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述电极使用为铜箔；液体绝缘胶带作为防水绝缘层；人工海水作为电解液，电容器使用前浸泡时间至少1h。

技术总结
本发明涉及一种碳‑高贝利特水泥基超级电容器及其制备方法，水泥基超级电容器包括含有铜箔电极、绝缘封装、以及碳‑高贝利特水泥基电解质的电容器组件，两部分组件浸泡在人工海水电解液里，形成超级电容器储能器件。碳‑高贝利特水泥基超级电容器的制备包含以下步骤：S1：将高贝利特水泥与碳黑、碳纤维混合研磨并搅拌均匀，得到碳‑水泥混合物；S2：将酚醛或聚氨酯加入步骤S1得到的碳‑水泥混合物中并研磨均匀，然后加入去离子水得到水泥基浆体；S3：将步骤S2得到的浆体倒入模具成型后放入养护室养护至凝固成型，得到所述的碳‑高贝利特水泥基电解质；S4：将步骤S3的碳‑高贝利特水泥基电解质单面贴上铜箔并引出导线后，用防水绝缘胶密封铜箔电极构成组件，最后将两片等同组件水泥面“面对面”浸泡在人工海水里得到碳‑高贝利特水泥基超级电容器。本发明的水泥基超级电容器拥有较高的电流密度、放电速率，适合海上光伏、风能发电的应用需求，对打造“海上新能源+储能”应用带具有积极的推动作用。

技术研发人员：黄世峰,杨长红,余致尧,李成龙,李春刚,黄永波,林秀娟
受保护的技术使用者：济南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/8