本發(fā)明公開(kāi)了一種新型鋅離子導(dǎo)電助劑修飾的電容型電極及其制備方法，屬于電容器材料。

背景技術(shù)：

1、鋅離子混合電容器(zihcs)是一種新型的儲(chǔ)能設(shè)備，通常由鋅陽(yáng)極、多孔碳陰極和含有zn2+的電解質(zhì)組成。這種混合電容器的開(kāi)發(fā)是為了彌補(bǔ)單獨(dú)的電池或超級(jí)電容器在性能上不足。它結(jié)合了鋅離子電池和超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)，具有高能量密度和高功率密度，同時(shí)保持了長(zhǎng)循環(huán)壽命和出色的安全性能。

2、zihcs的電極材料歸納為兩類(lèi)：電容型材料和電池型材料。電容型電極材料對(duì)鋅離子的吸附/解吸能提供更好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性能，但電容型電極材料在zihcs中扮演至關(guān)重要的角色，它們通常是多孔碳材料，具有高比面積和優(yōu)化的孔結(jié)構(gòu)，以增加與電解質(zhì)的接觸面積并提供快速的離子傳輸路徑。這些材料包括但不限于商用活性炭(ac)、碳納米管、石墨烯、多孔碳。

3、通?；钚蕴孔鳛殡娙萜麟姌O的特點(diǎn)是良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，環(huán)境友好性等特點(diǎn)，但是其缺點(diǎn)也是非常明顯，活性炭正極能量密度低以及活性炭本身的電導(dǎo)率低對(duì)電荷傳輸有一定的限制。因此，提供一種制備方法簡(jiǎn)單且具有優(yōu)異電化學(xué)性能的鋅離子混合電容器的電容型電極是十分必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有活性炭電容器能量密度低以及活性炭本身的電導(dǎo)率低等現(xiàn)狀，提供了一種新型鋅離子導(dǎo)電助劑修飾的電容型電極及其制備方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：

3、上述新型高容量高能量密度的鋅離子混合電容器電極的制備方法，該方法操作步驟如下：

4、步驟一，將不同質(zhì)量的活性炭、三氟甲烷磺酸鋅、丙烯酰胺混合加入到n-甲基吡咯烷酮中，加入適量導(dǎo)電炭黑和7wt％和聚偏二氟乙烯，在磁力攪拌器上攪拌5h，直至活性炭分散均勻且添加劑充分溶解得到電極前驅(qū)體溶液；

5、步驟二，將經(jīng)過(guò)步驟一處理后的電極前驅(qū)體溶液利用涂膜機(jī)和刮刀涂覆到集流體上，得到電極前驅(qū)體；

6、步驟三，將經(jīng)過(guò)步驟二處理后得到的電極前驅(qū)體在真空烘箱中進(jìn)行一段時(shí)間烘干直至溶液完全揮發(fā)，得到電極片；

7、步驟四，將步驟三得到的電極在裁片機(jī)上進(jìn)行裁片、稱(chēng)量并標(biāo)號(hào)，得到電極圓片；

8、步驟五，將步驟四得到的電極片放入真空烘箱中進(jìn)行一段時(shí)間的烘干，得到鋅離子混合電容器電極。

9、進(jìn)一步地，步驟一中混合物主體為活性炭，其中活性炭、三氟甲烷磺酸鋅、丙烯酰胺的質(zhì)量比為150：(3-7)：(3-7)。

10、進(jìn)一步地，步驟一中磁力攪拌器的轉(zhuǎn)速與溫度分別為600r/min、25℃。

11、進(jìn)一步地，步驟二中涂覆電極前驅(qū)體溶液的集流體為碳紙、碳布、石墨紙、不銹鋼箔、不銹鋼網(wǎng)、鈦箔中的一種。

12、進(jìn)一步地，步驟二中涂覆電極前驅(qū)體厚度為180μm-190μm。

13、進(jìn)一步地，步驟三中真空烘箱烘干條件為：烘箱溫度80℃，烘干時(shí)間12h。

14、進(jìn)一步地，步驟四中裁片的大小為直徑12mm的圓片，稱(chēng)量后電極計(jì)算活性物質(zhì)質(zhì)量為0.6mg-2.5mg。

15、進(jìn)一步地，步驟五中真空烘箱烘干條件為：烘箱溫度80℃，烘干時(shí)間2h。

16、進(jìn)一步地，本專(zhuān)利制備方法僅為溶液澆筑法，沒(méi)有采用球磨等復(fù)雜的方法。

17、本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明利用溶液澆筑法，通過(guò)調(diào)控添加劑的含量、集流體的種類(lèi)、涂膜的厚度等變量制備出達(dá)到目的的電極材料。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

18、(1)通過(guò)三氟甲烷磺酸鋅和丙烯酰胺等相互作用，丙烯酰胺和鋅離子在活性炭中形成絮狀絡(luò)合物，增加了電極材料對(duì)鋅離子的吸附能力，增加了電極浸潤(rùn)性，有助于電解液的滲透和離子傳輸。與原有的活性炭電極相比，容量提升顯著。調(diào)控添加劑的含量，進(jìn)一步提高了可逆容量、倍率性能和能量密度等。

19、(2)引入的三氟甲烷磺酸鋅和丙烯酰胺的混合物作為一種新型的導(dǎo)電助劑，為電極本身的導(dǎo)離子性提供幫助，為高性能鋅離子混合電容器提供可行性方案。

20、(3)通過(guò)集流體的選擇和涂膜厚度的調(diào)控，探究集流體和電極材料的適配程度，以及活性物質(zhì)的最適配面密度，選擇試驗(yàn)出最優(yōu)方案。

21、(4)僅通過(guò)溶液澆筑的方式使得我們電極制備工藝簡(jiǎn)單，制備周期短，且可重復(fù)性高。同時(shí)，做到了制備過(guò)程簡(jiǎn)單、流程清晰、綠色無(wú)污染，更加適合此鋅離子混合電容器電極在實(shí)際中的應(yīng)用，為無(wú)污染制備高能量密度的電極材料提供一種想法。

技術(shù)特征：

1.一種新型鋅離子導(dǎo)電助劑修飾的電容型電極，其特征在于，所述的電極是由活性炭為主體、三氟甲烷磺酸鋅與丙烯酰胺為添加劑組成的鋅離子混合電容器陰極，探究不同質(zhì)量添加劑對(duì)活性炭電極性能的影響，所述的電極發(fā)明并驗(yàn)證了三氟甲烷磺酸鋅與丙烯酰胺對(duì)鋅離子混合電容器容量和能量密度的優(yōu)化機(jī)理。

2.權(quán)利要求1所述的一種新型鋅離子導(dǎo)電助劑修飾的電容型電極的制備方法，其特征在于，該方法操作步驟如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型鋅離子導(dǎo)電助劑修飾的電容型電極的制備方法，其特征在于，所述的步驟一中活性物質(zhì)為活性炭，添加劑為三氟甲烷磺酸鋅、丙烯酰胺，其中活性炭、三氟甲烷磺酸鋅、丙烯酰胺的質(zhì)量比為150：(3-7)：(3-7)。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型鋅離子導(dǎo)電助劑修飾的電容型電極的制備方法，其特征在于，所述的步驟二中涂覆前驅(qū)體的集流體為碳紙、碳布、石墨紙、不銹鋼箔、不銹鋼網(wǎng)、鈦箔中的一種。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型鋅離子導(dǎo)電助劑修飾的電容型電極的制備方法，其特征在于，所述的步驟二中涂覆前驅(qū)體的厚度為180μm-190μm。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型鋅離子導(dǎo)電助劑修飾的電容型電極的制備方法，其特征在于，所述的步驟四中稱(chēng)量后電極計(jì)算活性物質(zhì)質(zhì)量為0.6mg-2.5mg。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型鋅離子導(dǎo)電助劑修飾的電容型電極的制備方法，其特征在于，所述的步驟五的目的為烘干裁片稱(chēng)量過(guò)程中吸附的空氣中的水分。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型鋅離子導(dǎo)電助劑修飾的電容型電極的制備方法，其特征在于，添加丙烯酰胺和三氟甲烷磺酸鋅作為導(dǎo)電助劑引入活性炭，在活性炭中形成絮狀絡(luò)合物增強(qiáng)了其對(duì)電解液中離子的吸附能力，提高電極的導(dǎo)電性，改善電荷傳輸特性。

9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型鋅離子導(dǎo)電助劑修飾的電容型電極的制備方法，其特征在于，區(qū)別于其他發(fā)明專(zhuān)利，本專(zhuān)利開(kāi)發(fā)了丙烯酰胺和三氟甲烷磺酸鋅作為導(dǎo)電助劑的應(yīng)用，增加鋅離子混合電容器的離子電導(dǎo)。

10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型鋅離子導(dǎo)電助劑修飾的電容型電極的制備方法，其特征在于，本專(zhuān)利研究活性炭、丙烯酰胺與三氟甲烷磺酸鋅之間的相互作用機(jī)制，發(fā)明并驗(yàn)證了三氟甲烷磺酸鋅與丙烯酰胺對(duì)活性炭電極容量和能量密度的優(yōu)化機(jī)理。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種新型鋅離子導(dǎo)電助劑修飾的電容型電極及其制備方法，屬于混合電容器材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明解決了現(xiàn)有混合電容器活性炭正極能量密度低以及活性炭本身導(dǎo)電性低，限制電荷傳輸?shù)膯?wèn)題。本發(fā)明以活性炭為主體、三氟甲烷磺酸鋅與丙烯酰胺為添加劑的鋅離子混合電容器陰極。本發(fā)明探究了活性炭和丙烯酰胺之間的相互作用和離子導(dǎo)電性提升機(jī)理，增加了活性炭表面的官能團(tuán)。本發(fā)明僅通過(guò)溶液澆筑實(shí)現(xiàn)了三種物質(zhì)的共混，同時(shí)，受益于鋅離子和丙烯酰胺的引入，二者在活性炭中形成絮狀絡(luò)合物，增強(qiáng)了其對(duì)離子的吸附能力，提高電極的導(dǎo)電性改善電荷傳輸特性。相較于最廣泛使用的活性炭電極，該電極的制備設(shè)計(jì)方案，極大地提高了混合電容器的比容量。

技術(shù)研發(fā)人員：楊建,張永泉,馬原馳,薄琳,楊博雯,王洪喆,黃騰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10