一种非对称活性炭电极材料制备方法、非对称超级电容器

技术领域

本发明涉及生物质基碳材料技术领域，尤其涉及一种非对称活性炭电极材料制备方法、非对称超级电容器。

背景技术

基于多孔炭的超级电容器(SCs)具有高功率和超长循环寿命，但存在能量密度低的问题。一个关键问题是它们的理论潜在电压窗口(OPWs)由于电极的电势范围不合理，不能充分利用，导致能量密度和浮充寿命显著降低。超级电容器的浮充寿命研究主要就是炭材料的设计，之前研究者们利用不同材料组装成超级电容器，以此来拓宽电压窗口设计此类非对称超级电容器。然而，找到这两种特别合适的材料费时又费力。因此研究非对称超级电容的另一种方法也应运而生，即设计正负极不同质量比来拓宽其电压窗口，进而提高超级电容器的浮充寿命。

此外，电解质作为提高超级电容器能量密度和浮充寿命特性的另一种途径，也受到越来越多的关注。目前，电解质主要分为水电解质和非水电解质。水电解质的优点是价格便宜、安全，但存在较大的缺陷：狭窄的操作电位窗口，这是导致超级电容器的低能量密度的主要问题。非水电解质包括有机电解质和离子液体，离子液体的粘度较高在反应中会堵塞孔隙导致电化学性能较低。反观有机电解质的操作电位窗口比水系电解质高，且粘度低(可达2.7V)。超级电容器的能量密度与电压窗口的平方成正比，这样可以使得有机体系超级电容器的能量密度高，然而，有机系溶剂化的分子尺度大，比电容较水系低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种非对称活性炭电极材料制备方法、非对称超级电容器。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种非对称活性炭电极材料的制备方法，称取一定量的电容炭、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮，置于玛瑙研钵中，强力搅拌0.5～1.5h后，再加入适量的炭黑，继续搅拌0.5～1.5h，得到的混合浆料即为非对称活性炭电极材料。

进一步地，所述电容炭的质量为0.3g-1.2g，所述电容炭、聚偏氟乙烯与炭黑的质量比为80～85：5：2。

本发明还公开了一种电极片，采用上述的非对称活性炭电极材料制成。

进一步地，该电极片的制作方法，包括以下步骤：

(1)选择不同道高进行涂布，使用刮刀将制得的混合浆料均匀地涂布在铝箔表面，将得到的涂层厚度多次测量取平均值，即可得涂层厚度，再将涂层用辊压机压实到一定厚度；

(2)将步骤(1)得到的涂层切成若干个直径为10mm的电极片，逐个称重并记录电极片的质量，并选择质量接近的16个电极片作为电极片。

进一步地，步骤(1)中，涂布道高选用250mm、300mm和350mm，涂层压实后的厚度范围为0.131～0.139mm。

进一步地，所述电极片的质量误差范围在0.0005～0.0015mg之间。

本发明还公开了一种非对称超级电容器，采用上述制得的电极片组装而成。

进一步地，该非对称超级电容器的组装方法，包括以下步骤：

步骤a、将制好的电极片放入折叠的称重纸中，在一定温度和压力下真空干燥一段时间，当烘箱温度冷却到室温后，再将电极片移到氩气手套箱中；

步骤b、将电池组件置于乙醇浴中超声清洗，干燥后冷却至室温，再转移到氩气手套箱中；

步骤c、取一个电极片置于正极壳的内表面，并用50ul电解质润湿电极片，将纤维素隔膜放置在浸湿的电极片表面，再放另一个电极片，之后在负极壳的内表面放置2个弹片和1个垫片，最后将正极部分和负极部分放在一起用气动压线钳压紧，即可得非对称超级电容器。

进一步地，步骤a中，干燥条件为：温度70～90℃，压力1.5～2.5Mbar，时间20～26h。

本发明的有益效果是，与现有技术相比，

(1)、非对称活性炭电极材料，可以使电解质离子更好的进入孔径，有利于电荷传输，为能量储存提供一定的活性位点，使其具有很好地电化学性能。

(2)采制得的非对称活性炭电极材料做成涂层，后卷成电极电极片，并组装到非对称超级电容器中，使得非对称超级电容器有更高的OPWs和能量密度以及更长的浮充寿命。

(3)制得的非对称超级电容器得浮充寿命提高，且耐高温性更好。

(4)在正负极最佳质量比组装成的超级电容器在高温65℃/2.7V条件下浮充200h后，电容保持率依然在80％以上。

附图说明

图1为本发明实施例1的三电极恒电流充放曲线；

图2为本发明实施例1的非对称活性炭电极材料在SBPBF电解液中的分解电压图；

图3为本发明实施例1制得的非对称活性炭电极材料SEM图；

图4位本发明实施例1的浮充曲线。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种非对称活性炭电极材料的制备方法，称取0.3g电容炭、聚偏氟乙烯(PVDF)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)，置于玛瑙研钵中，强力搅拌1h后，再加入适量的炭黑，继续搅拌1h，得到的混合浆料即为非对称活性炭电极材料。

电容炭、聚偏氟乙烯与炭黑的质量比为85:5:2，其中混合浆料的固含量为25％。

一种电极片的制作方法，包括以下步骤：

(1)选择不同道高进行涂布，使用刮刀将制得的混合浆料均匀地涂布在铝箔表面，为子使电极厚度满足要求，也为了增加电极与集流体之间的结合力，将得到的涂层厚度多次测量取平均值；

(2)将得到的涂层切成30个直径为10mm的电极片，逐个称重并记录电极片的质量，电极片的质量误差大约在0.001mg，并选择质量接近的16个电极片作为电极片。

涂布道高选用250mm、300mm和350mm，涂层压实后的厚度范围为0.131～0.139mm。

本发明还公开了一种非对称超级电容器的组装方法，包括以下步骤：

步骤a、将制好的电极片放入折叠的称重纸中，在在85℃，2Mbar下烤箱中干燥24h，当烘箱温度冷却到室温后，再将电极片移到氩气手套箱中；

步骤b、将电池组件置于乙醇浴中超声清洗，干燥后冷却至室温，再转移到氩气手套箱中；

步骤c、取一个电极片置于正极壳的内表面，并用50ul电解质润湿电极片，将直径为19mm的纤维素隔膜放置在浸湿的电极片表面，再放另一个电极片，之后在负极壳的内表面放置2个弹片和1个垫片，最后将正极部分和负极部分放在一起用气动压线钳压紧，即可非对称超级电容器；

对实施例制得的非对称活性炭电极材料及其组装而成的非对称超级电容器进行性能测试：

从图1的三电极恒电流充放曲线中可看出，当最佳质量比为1.2时，所得正极电压较小，因此增加正极的质量从而延长负极的放电时间，从而使得整个电压窗口得以完全利用。

从图2可看出：当最佳质量比为1.2时，将组装好的三电极在有机系电解液SBPBF中进行低扫速CV循环(扫描速率为10mV/s)，得到有机系电解液的上下限分解电压。

从图3中可以看出：当最佳质量比为1.2时，副反应产生较少:。

从图4中可以看出：当最佳:质量比为1.2时，在高温65℃浮充200h时，电容保持率依然在80％以上。

实施例2

一种非对称活性炭电极材料的制备方法，称取0.6g电容炭、聚偏氟乙烯(PVDF)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)，置于玛瑙研钵中，强力搅拌1h后，再加入适量的炭黑，继续搅拌1h，得到的混合浆料即为非对称活性炭电极材料。

电容炭、聚偏氟乙烯与炭黑的质量比为85:5:2，其中混合浆料的固含量为25％。

一种电极片的制作方法，包括以下步骤：

(1)选择不同道高进行涂布，使用刮刀将制得的混合浆料均匀地涂布在铝箔表面，为子使电极厚度满足要求，也为了增加电极与集流体之间的结合力，将得到的涂层厚度多次测量取平均值，即可得涂层厚度，再将涂层用辊压机压实到一定厚度；

(2)将得到的涂层切成30个直径为10mm的电极片，逐个称重并记录电极片的质量，电极片的质量误差大约在0.001mg，并选择质量接近的16个电极片作为电极片。

涂布道高选用250mm、300mm和350mm，涂层压实后的厚度范围为0.131～0.139mm。

本发明还公开了一种非对称超级电容器的组装方法，包括以下步骤：

步骤a、将制好的电极片放入折叠的称重纸中，在在85℃，2Mbar下烤箱中干燥24h，当烘箱温度冷却到室温后，再将电极片移到氩气手套箱中；

步骤b、将电池组件置于乙醇浴中超声清洗，干燥后冷却至室温，再转移到氩气手套箱中；

步骤c、取一个电极片置于正极壳的内表面，并用50ul电解质润湿电极片，将直径为19mm的纤维素隔膜放置在浸湿的电极片表面，再放另一个电极片，之后在负极壳的内表面放置2个弹片和1个垫片，最后将正极部分和负极部分放在一起用气动压线钳压紧，即可得非对称超级电容器。

实施例3

一种非对称活性炭电极材料的制备方法，称取0.9g电容炭、聚偏氟乙烯(PVDF)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)，置于玛瑙研钵中，强力搅拌1h后，再加入适量的炭黑，继续搅拌1h，得到的混合浆料即为非对称活性炭电极材料。

电容炭、聚偏氟乙烯与炭黑的质量比为85:5:2，其中混合浆料的固含量为25％。

一种电极片的制作方法，包括以下步骤：

(1)选择不同道高进行涂布，使用刮刀将制得的混合浆料均匀地涂布在铝箔表面，为子使电极厚度满足要求，也为了增加电极与集流体之间的结合力，将得到的涂层厚度多次测量取平均值，即可得涂层厚度，再将涂层用辊压机压实到一定厚度；

(2)将得到的涂层切成30个直径为10mm的电极片，逐个称重并记录电极片的质量，电极片的质量误差大约在0.001mg，并选择质量接近的16个电极片作为电极片。

涂布道高选用250mm、300mm和350mm，涂层压实后的厚度范围为0.131～0.139mm。

本发明还公开了一种非对称超级电容器的组装方法，包括以下步骤：

步骤a、将制好的电极片放入折叠的称重纸中，在在85℃，2Mbar下烤箱中干燥24h，当烘箱温度冷却到室温后，再将电极片移到氩气手套箱中；

步骤b、将电池组件置于乙醇浴中超声清洗，干燥后冷却至室温，再转移到氩气手套箱中；

步骤c、取一个电极片置于正极壳的内表面，并用50ul电解质润湿电极片，将直径为19mm的纤维素隔膜放置在浸湿的电极片表面，再放另一个电极片，之后在负极壳的内表面放置2个弹片和1个垫片，最后将正极部分和负极部分放在一起用气动压线钳压紧，即可得非对称超级电容器。

实施例4

一种非对称活性炭电极材料的制备方法，称取1.2g电容炭、聚偏氟乙烯(PVDF)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)，置于玛瑙研钵中，强力搅拌1h后，再加入适量的炭黑，继续搅拌1h，得到的混合浆料即为非对称活性炭电极材料。

电容炭、聚偏氟乙烯与炭黑的质量比为85:5:2，其中混合浆料的固含量为25％。

一种电极片的制作方法，包括以下步骤：

(1)选择不同道高进行涂布，使用刮刀将制得的混合浆料均匀地涂布在铝箔表面，为子使电极厚度满足要求，也为了增加电极与集流体之间的结合力，将得到的涂层厚度多次测量取平均值，即可得涂层厚度，再将涂层用辊压机压实到一定厚度；

(2)将得到的涂层切成30个直径为10mm的电极片，逐个称重并记录电极片的质量，电极片的质量误差大约在0.001mg，并选择质量接近的16个电极片作为电极片。

涂布道高选用250mm、300mm和350mm，涂层压实后的厚度范围为0.131～0.139mm。

本发明还公开了一种非对称超级电容器的组装方法，包括以下步骤：

步骤a、将制好的电极片放入折叠的称重纸中，在在85℃，2Mbar下烤箱中干燥24h，当烘箱温度冷却到室温后，再将电极片移到氩气手套箱中；

步骤b、将电池组件置于乙醇浴中超声清洗，干燥后冷却至室温，再转移到氩气手套箱中；

步骤c、取一个电极片置于正极壳的内表面，并用50ul电解质润湿电极片，将直径为19mm的纤维素隔膜放置在浸湿的电极片表面，再放另一个电极片，之后在负极壳的内表面放置2个弹片和1个垫片，最后将正极部分和负极部分放在一起用气动压线钳压紧，即可得非对称超级电容器。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。