專利名稱:管狀介孔二氧化錳的超級(jí)電容器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及管狀介孔二氧化錳的電容器及其制備方法,特別是可應(yīng)用于超級(jí)電容器電極材料的管狀介孔二氧化錳。
背景技術(shù):
超級(jí)電容器又稱超大容量電容器、金電容、黃金電容、儲(chǔ)能電容、法拉電容、電化學(xué)電容器或雙電層電容器(英文名稱為EDLC,即Electric Double Layer Capacitors),是靠極化電解液來(lái)存儲(chǔ)電能的新型電化學(xué)裝置。它是近十幾年隨著材料科學(xué)的突破而出現(xiàn)的新型功率型儲(chǔ)能元件,其批量生產(chǎn)不過(guò)幾年時(shí)間。
超級(jí)電容器自面市以來(lái),全球需求量快速擴(kuò)大,已成為化學(xué)電源領(lǐng)域內(nèi)新的產(chǎn)業(yè)亮點(diǎn)。超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車(chē)、混合燃料汽車(chē)、特殊載重汽車(chē)、電力、鐵路、通信、國(guó)防、消費(fèi)性電子產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)潛力,被世界各國(guó)所廣泛關(guān)注。美國(guó)《探索》雜志2007年I月號(hào),將超級(jí)電容器列為2006年世界七大科技發(fā)現(xiàn)之一,認(rèn)為超級(jí)電容器是能量?jī)?chǔ)存領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性發(fā)展,并將在某些領(lǐng)域取代傳統(tǒng)蓄電池。目前全球已有上千家超級(jí)電容器生產(chǎn)商,可以提供多種類的超級(jí)電容器產(chǎn)品,大部分產(chǎn)品都是基于一種相似的雙電層結(jié)構(gòu),采用的工藝流程為配料一混漿一制電極一裁片一組裝一注液一活化一檢測(cè)一包裝。超級(jí)電容器根據(jù)制造工藝和外形結(jié)構(gòu)可劃分為鈕扣型、卷繞型和大型三種類型,三者在容量上大致歸類為5F以下5 200F、200F以上。鈕扣型產(chǎn)品具備小電流、長(zhǎng)時(shí)間放電的特點(diǎn),可用在小功率電子產(chǎn)品及電動(dòng)玩具產(chǎn)品中。而卷繞型和大型產(chǎn)品則多在需要大電流短時(shí)放電,有記憶存儲(chǔ)功能的電子產(chǎn)品中做后備電源,適用于帶CPU的智能家電、工控和通信領(lǐng)域中的存儲(chǔ)備份部件。2007年,全球鈕扣型超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)規(guī)模為10. 2億美元,卷繞型和大型超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)規(guī)模為34. 8億美元,超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)總規(guī)模為45億美元,同比增長(zhǎng)45% ;預(yù)計(jì)2008年全球鈕扣型超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)規(guī)模為15. 3億美元,卷繞型和大型超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)規(guī)模為為52. 2億美元,超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)總規(guī)模為67. 5億美元,同比增長(zhǎng)50%。在超級(jí)電容器的產(chǎn)業(yè)化方面,美國(guó)、日本、俄羅斯、瑞士、韓國(guó)、法國(guó)的一些公司憑借多年的研究開(kāi)發(fā)和技術(shù)積累,目前處于領(lǐng)先地位,如美國(guó)的Maxwell,日本的NEC、松下、Tokin和俄羅斯的Econd公司等,這些公司目前占據(jù)著全球大部分市場(chǎng)。近年來(lái),由于看好這一領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景,中國(guó)一些公司也開(kāi)始積極涉足這一產(chǎn)業(yè),并已經(jīng)具備了一定的技術(shù)實(shí)力和產(chǎn)業(yè)化能力。目前國(guó)內(nèi)從事大容量超級(jí)電容器研發(fā)的廠家共有50多家,然而,能夠批量生產(chǎn)并達(dá)到實(shí)用化水平的廠家只有10多家。2005年,中國(guó)超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)總規(guī)模達(dá)到3. 9億元人民幣,較2004年的2. 48億元增長(zhǎng)57. 2%,其中,紐扣型超級(jí)電容器為4千萬(wàn)元,卷繞型和大型超級(jí)電容器為3. 5億元。2006年產(chǎn)業(yè)總規(guī)模達(dá)到5. 7億元人民幣,增速高達(dá)46. 2%。其中,鈕扣型超級(jí)電容器市場(chǎng)規(guī)模為9千萬(wàn)元,卷繞型和大型超級(jí)電容器為4. 8億元。2007年產(chǎn)業(yè)總規(guī)模達(dá)到8. 6億元人民幣,增速高達(dá)50%。其中,鈕扣型超級(jí)電容器市場(chǎng)規(guī)模為I. 4億元,卷繞型和大型超級(jí)電容器為7. 2億元。預(yù)計(jì)2008年產(chǎn)業(yè)總規(guī)??蛇_(dá)13. 3億元人民幣,增速可達(dá)55%。其中,鈕扣型超級(jí)電容器市場(chǎng)規(guī)??蛇_(dá)2. I億元,卷繞型和大型超級(jí)電容器市場(chǎng)規(guī)??蛇_(dá)11. 2億元。目前,國(guó)內(nèi)廠商大多生產(chǎn)液體雙電層電容器,重要企業(yè)有錦州富辰公司、北京集星公司、上海奧威公司、錦州錦容公司、石家莊高達(dá)公司、北京金正平公司、錦州凱美公司、大慶振富公司、江蘇雙登公司、哈爾濱巨容公司、南京集華公司等十多家。據(jù)稱,國(guó)產(chǎn)超級(jí)電容器已占有中國(guó)市場(chǎng)60% 70%的份額。由于新興公司不斷涌現(xiàn),超級(jí)電容器在國(guó)內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用也漸行漸近。國(guó)內(nèi)供應(yīng)商正積極地從不同角度來(lái)應(yīng)對(duì)規(guī)模應(yīng)用所面臨的問(wèn)題。例如,由于是一個(gè)相對(duì)較新的產(chǎn)業(yè),國(guó)內(nèi)供應(yīng)商目前正積極地進(jìn)行市場(chǎng)及技術(shù)推廣工作,越來(lái)越多的買(mǎi)家也逐步開(kāi)始了解并認(rèn)可超級(jí)電容器。此外,目前供應(yīng)商正積極從事應(yīng)用開(kāi)發(fā),幫助買(mǎi)家開(kāi)發(fā)出成熟的替代方案。在克服大功率應(yīng)用超級(jí)電容器一次性投入成本較高的問(wèn)題上,國(guó)內(nèi)供應(yīng)商也在通過(guò)提高其性價(jià)比方面積極努力。業(yè)內(nèi)人士指出,超級(jí)電容器相對(duì)蓄電池的優(yōu)越性要靠性價(jià)比來(lái)體現(xiàn)。以鉛酸蓄電池為例,目前一般可充放電5000次,但超級(jí)電容器理論上的充放電次數(shù)可達(dá)數(shù)萬(wàn)次乃至數(shù)十萬(wàn)次,就實(shí)際水平而言,國(guó)內(nèi)某些廠商的超級(jí)電容器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)充放電20000次。這樣一來(lái),如果超級(jí)電容器在使用壽命上是蓄電池的4 5倍,而價(jià)格卻僅為其3倍左右,就可以體現(xiàn)出更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的性價(jià)比。 在具體應(yīng)用開(kāi)發(fā)上,國(guó)內(nèi)供應(yīng)商已經(jīng)開(kāi)始在各自擅長(zhǎng)的領(lǐng)域取得具體應(yīng)用成果。在小功率應(yīng)用超級(jí)電容器方面,國(guó)內(nèi)不少?gòu)S商都開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的應(yīng)用或替代方案,使其產(chǎn)品獲得了具體應(yīng)用。部分公司的產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用到太陽(yáng)能高速公路指示燈、玩具車(chē)和微機(jī)后備電源等領(lǐng)域。目前,國(guó)內(nèi)廠商也很注重超級(jí)電容器的大功率應(yīng)用,如環(huán)保型交通工具、電站直流控制、車(chē)輛應(yīng)急啟動(dòng)裝置、脈沖電能設(shè)備等。超級(jí)電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲(chǔ)能元件,在移動(dòng)通訊、信息技術(shù)、工業(yè)領(lǐng)域、消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車(chē)、航空航天和國(guó)防科技等方面具有極其重要和廣闊的應(yīng)用前景。在現(xiàn)有的超級(jí)電容器電極材料中,二氧化錳活性物質(zhì)具有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境友好及在中性電解液中表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能而成為倍受關(guān)注的超級(jí)電容器電極材料。管狀材料可以使更多的活性物質(zhì)與電解液接觸,從而大幅度提高活性物質(zhì)的比容量。介孔材料是指孔徑分布在2 - 50nm的多孔材料。介孔氧化錳由于具有較高的比表面積、較小的孔徑分布而使之在超級(jí)電容器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。如,Xu等人以聚丙烯酰胺(PAM)與聚已烯醇(polyvinyl alcohol)為軟模板制備了介孔的氧化猛,它展現(xiàn)較高的超級(jí)電容特性。(MaowenXu, Dandan Zhao, Shujuan Bao, Hulin Li. Mesoporousamorphous MnO2 as electrode material forsupercapacitor, Journal of Solid StateElectrochemistry,2007,11 (8) : 1101 — 1107)。Tang 等人以二氧化娃小球?yàn)橛材0?,通過(guò)水熱法制備了介孔狀空心氧化錳小球,所得產(chǎn)物也表現(xiàn)出不錯(cuò)的超級(jí)電容特性。(XinhuaTang,Zonghuai LiujChengxiao Zhang, Zupei Yang, Zenglin Wang. Synthesis andcapacitive property of hierarchical hollow manganese oxide nanospheres withlargespecific surface area, Journal of Power Sources,2009,193 (2):939 — 943)。這些方法制備的介孔二氧化錳雖然具有不錯(cuò)的性能,但這些方法都要用到昂貴的軟或硬模板,并且二氧化錳的形貌大都是O維的球形顆粒,不利于提高活性物質(zhì)比容量。且在較大范圍內(nèi)調(diào)整這些方法的工藝條件,都只能制備得到單一晶型二氧化錳。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種簡(jiǎn)便、低成本及環(huán)保的管狀介孔二氧化錳的超級(jí)電容器及其制備方法。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明管狀介孔二氧化錳的超級(jí)電容器的制備方法,包括以下步驟(I)棉花模板制備a、把棉花浸泡在高錳酸鉀的水溶液中;待棉花完全浸透后將其取出進(jìn)行于60°C烘干;所述的棉花是直接從棉田里采摘的棉花經(jīng)過(guò)自然曬干或烘干得到,要求不發(fā)霉不變質(zhì)。b、把干燥后的棉花于空氣中500 - 800°C進(jìn)行煅燒2 — 5小時(shí)。C、將煅燒產(chǎn)物用水洗滌,洗滌后在100 - 1200C的溫度干燥,得到管狀介孔二氧化錳粉體制備成電極。(2)將所得管狀介孔二氧化錳粉體制備成電極進(jìn)行循環(huán)伏安曲線性能測(cè)試,合格后制成電各。以上所述的高猛酸鉀的溶液是由I 一 10重量份高猛酸鉀與90 — 99重量份的去離子水組成。以上所述的棉花和高錳酸鉀的水溶液的重量比為I 一 7:93 — 99。本發(fā)明管狀介孔二氧化錳的電容器,其物理特性為管狀介孔二氧化錳為具有孔徑分布為2 — 50nm、管徑為O. 5 — 10 μ m、內(nèi)外徑比>0. 9、長(zhǎng)徑比>10的α、β、或Y相二氧化錳,或三種晶相中兩兩混合,或三種晶相混合的二氧化錳。所述管狀介孔二氧化錳因具有良好的電容特性及較高的儲(chǔ)能特性,可用作為超級(jí)電容器的電極材料,且作為超級(jí)電容器的電極材料具有良好的電容特性及較高的儲(chǔ)能特性。本發(fā)明的有益效果是I、本發(fā)明與以前的大孔或微孔二氧化錳、球狀二氧化錳等具有更好的電容特性及更高的儲(chǔ)能特性。2、本發(fā)明的制備方法與以前的制備方法相比,具有簡(jiǎn)單、低成本、環(huán)保性好等優(yōu) 點(diǎn)。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。圖I是采用本發(fā)明制備的管狀介孔δ相二氧化錳的X射線衍射圖。圖I看出產(chǎn)最終產(chǎn)物是δ-MnO2(卡號(hào)為No. 80 — 1098)。從產(chǎn)物的掃描電鏡相片可以得知二氧化錳粉體的形貌為管狀(管徑5 μ m、長(zhǎng)徑比平均18、內(nèi)外徑比O. 95)。圖2是采用本發(fā)明制備的管狀介孔δ相二氧化錳的氮?dú)馕?脫附曲線及所得管狀介孔5相二氧化錳的孔徑分布圖(圖中插入部分)。圖2為產(chǎn)物的氮?dú)馕?脫附曲線,從曲線可知產(chǎn)物為介孔狀多孔物質(zhì),其平均孔徑約為5nm(圖2中的插入圖)。其比表面為 42. 54m2/g。圖3是采用本發(fā)明制備的管狀介孔δ相二氧化錳所制得的電極在O. 5Μ Na2SO4中的循環(huán)伏安曲線。將制備得到的管狀介孔二氧化錳粉體制備成電極,然后在O. 5Μ Na2SO4中,電位區(qū)間為-O. 2-0.6伏進(jìn)行循環(huán)伏安曲線性能測(cè)試。圖4是采用本發(fā)明制備的管狀介孔δ相二氧化錳所制得的電極在O. 5Μ Na2SO4中的計(jì)時(shí)電位曲線??砂l(fā)現(xiàn)電極在Na2SO4溶液中具有較好的電容特性。將制備得到的薄膜電極在O. 5MNa2S04中電流密度為O. SAg—1下測(cè)試恒流充放性能分析。可發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的薄膜電極的比容量為128F g_\可作為超級(jí)電容器電極材料使用。圖5為是采用本發(fā)明制備的管狀介孔α相二氧化錳的X射線衍射圖。圖6是采用本發(fā)明制備的管狀介孔α、δ與Υ -混合晶型的二氧化錳的掃描電鏡 圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例下面通過(guò)實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的突出特點(diǎn),僅在說(shuō)明本發(fā)明而絕不限本發(fā)明。實(shí)施例I取2克高錳酸鉀溶解于30毫升去離子水中,再將I. 15克的棉花浸入上述溶液中。待棉花完全浸透后將其取出,在烘箱中60°C烘干。然后把吸附有高錳酸鉀的棉花在空氣中500°C煅燒3小時(shí)。最后通過(guò)水洗煅燒產(chǎn)物獲得介孔二氧化錳粉體。圖I為最終產(chǎn)物的XRD圖,從圖中可以看出產(chǎn)物是S-MnO2 (卡號(hào)為No. 80-1098)。從產(chǎn)物的掃描電鏡相片可以得知二氧化錳粉體的形貌為管狀(管徑5 μ m、長(zhǎng)徑比平均18、內(nèi)外徑比O. 95)。圖2為產(chǎn)物的氮?dú)馕?脫附曲線,從曲線可知產(chǎn)物為介孔狀多孔物質(zhì),其平均孔徑約為5nm (圖2中的插入圖)。其比表面為42. 54m2/g。將制備得到的管狀介孔二氧化錳粉體制備成電極,然后在O. 5M Na2SO4中,電位區(qū)間為-O. 2-0. 6伏進(jìn)行循環(huán)伏安曲線性能測(cè)試,結(jié)果如圖3所示,可發(fā)現(xiàn)電極在Na2SO4溶液中具有較好的電容特性。將制備得到的薄膜電極在O. 5M Na2SO4中電流密度為O. 5A g—1下測(cè)試恒流充放性能分析,結(jié)果如圖4所示,可發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的薄膜電極的比容量為128F g-1,可作為超級(jí)電容器電極材料使用。實(shí)施例2將I克高錳酸鉀溶解于30毫升去離子水中,再將O. 5克的棉花浸入上述溶液中。待棉花完全浸透后將其取出,在烘箱中60°C烘干。然后把吸附有高錳酸鉀的棉花在空氣中800°C煅燒3小時(shí)。最后通過(guò)水洗煅燒產(chǎn)物獲得管狀介孔二氧化錳粉體(管徑4. 5 μ m、長(zhǎng)徑比平均20、內(nèi)外徑比O. 96)。XRD測(cè)試表明所得產(chǎn)物也為a-MnO2 (其衍射圖見(jiàn)圖5)(卡號(hào)44 - 0141)。從產(chǎn)物的氮?dú)馕?脫附曲線也表明產(chǎn)物為介孔物質(zhì)(平均孔徑約為8nm)。其比表面為40. 12m2/g。將所得管狀介孔二氧化錳粉體制備成電極,其在0.5M Na2SO4*,電位區(qū)間為-O. 2-0. 6伏展現(xiàn)良好的電容特性。電流密度為O. SAg-1計(jì)時(shí)電位下所測(cè)得氧化錳比容量為 115F g-1。實(shí)施例3將3克高錳酸鉀溶解于30毫升去離子水中,再將2. 2克的棉花浸入上述溶液中。待棉花完全浸透后將其取出,在烘箱中60°C烘干。然后把吸附有高錳酸鉀的棉花在空氣中700°C煅燒3小時(shí)。最后通過(guò)水洗煅燒產(chǎn)物獲得管狀介孔二氧化錳粉體(管徑6 μ m、長(zhǎng)徑比平均22、內(nèi)外徑比O. 94)。XRD測(cè)試表明所得產(chǎn)物為γ_Μη02。從產(chǎn)物的氮?dú)馕?脫附曲線也表明產(chǎn)物為介孔物質(zhì)(平均孔徑約為4. Inm)0其比表面為38. 51m2/g。將所得管狀介孔二氧化錳粉體制備成電極,其在0.5M Na2SO4*,電位區(qū) 間為-O. 2 — O. 6伏展現(xiàn)良好的電容特性。電流密度為O. SAg-1計(jì)時(shí)電位下所測(cè)得氧化錳比容量為 119. 8F g'實(shí)施例4將2克高錳酸鉀溶解于30毫升去離子水中,再將O. 95克的棉花浸入上述溶液中。待棉花完全浸透后將其取出,在烘箱中60°C烘干。然后把吸附有高錳酸鉀的棉花在空氣中600°C煅燒3小時(shí)。最后通過(guò)水洗煅燒產(chǎn)物獲得管狀介孔二氧化錳粉體(管徑6. 5 μ m、長(zhǎng)徑比平均18、內(nèi)外徑比O. 92)。XRD測(cè)試表明所得產(chǎn)物為δ與α混合晶型的Μη02。從產(chǎn)物的氮?dú)馕?脫附曲線也表明產(chǎn)物為介孔物質(zhì)(平均孔徑約為7nm)。其比表面為40. 01m2/g。將所得管狀介孔二氧化錳粉體制備成電極,其在0.5M Na2SO4*,電位區(qū)間為-O. 2 — O. 6伏展現(xiàn)良好的電容特性。電流密度為O. SAg-1計(jì)時(shí)電位下所測(cè)得氧化錳比容量為 120. 8F g'實(shí)施例5將2. 5克高錳酸鉀溶解于30毫升去離子水中,再將I. 5克的棉花浸入上述溶液中。待棉花完全浸透后將其取出,在烘箱中60°C烘干。然后把吸附有高錳酸鉀的棉花在空氣中650°C煅燒3小時(shí)。最后通過(guò)水洗煅燒產(chǎn)物獲得管狀介孔二氧化錳粉體(管徑3 μ m、長(zhǎng)徑比平均26、內(nèi)外徑比O. 93)(見(jiàn)圖6)。XRD測(cè)試表明所得產(chǎn)物為α、δ與γ-混合晶型的Μη02。從產(chǎn)物的氮?dú)馕?脫附曲線也表明產(chǎn)物為介孔物質(zhì)(平均孔徑約為3. 8nm)。其比表面為41. 17m2/g。將所得管狀介孔二氧化錳粉體制備成電極,其在0.5M Na2SO4*,電位區(qū)間為-O. 2 — O. 6伏展現(xiàn)良好的電容特性。電流密度為O. SAg-1計(jì)時(shí)電位下所測(cè)得氧化錳比容量為 109. IF g'
權(quán)利要求
1.一種管狀介孔二氧化錳的超級(jí)電容器的制備方法,其特征在于包括以下步驟 (1)棉花t吳板制備 a、把棉花浸泡在高錳酸鉀的水溶液中;待棉花完全浸透后將其取出進(jìn)行于60°C烘干; b、把干燥后的棉花于空氣中500- 800°C進(jìn)行煅燒2 — 5小時(shí); C、將煅燒產(chǎn)物用水洗滌,洗滌后在100 - 120°C的溫度干燥,得到管狀介孔二氧化錳粉體制備成電極; (2)將所得管狀介孔二氧化錳粉體制備成電極進(jìn)行循環(huán)伏安曲線性能測(cè)試,合格后制成電容; 以上所述的高錳酸鉀的溶液是由I 一 10重量份高錳酸鉀與90 - 99重量份的去離子水組成; 以上所述的棉花和高錳酸鉀的水溶液的重量比為I 一 7:93 — 99。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的管狀介孔二氧化錳的超級(jí)電容器的制備方法,其特征在于所述的棉花是直接從棉田里采摘的棉花經(jīng)過(guò)自然曬干或烘干得到,要求不發(fā)霉不變質(zhì)。
3.如權(quán)利要求I所述的管狀介孔二氧化錳的超級(jí)電容器的制備方法,其特征在于管狀介孔二氧化錳的電容器的物理特性為管狀介孔二氧化錳為具有孔徑分布為2 - 50nm、管徑為O. 5 — 10 μ m、內(nèi)外徑比>0. 9、長(zhǎng)徑比>10的α、β、或γ相二氧化錳,或三種晶相中兩兩混合,或三種晶相混合的二氧化錳。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種管狀介孔二氧化錳的超級(jí)電容器及其制備方法,其特征在于管狀介孔二氧化錳的超級(jí)電容器,是具有孔徑分布為2-50nm、管徑為0.5-10μm、內(nèi)外徑比>0.9、長(zhǎng)徑比>10的α、β、或γ相二氧化錳,或三種晶相中兩兩混合,或三種晶相混合的二氧化錳,其制備方法是把棉花浸泡在高錳酸鉀的水溶液中,待干燥后將吸附高錳酸鉀的棉花在空氣中煅燒,再將煅燒后的產(chǎn)物進(jìn)行水洗及干燥得到氧化錳粉體,具有良好的電容特性及較高的儲(chǔ)能特性,可用作為超級(jí)電容器的電極材料,本發(fā)明簡(jiǎn)單、環(huán)保、低成本且性能好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01G11/84GK102867655SQ20121039232
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者徐華蕊, 顏東亮, 朱歸勝, 楊會(huì)娟 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)