一种非对称型超级电容器的制备方法

摘要

本发明公开了一种非对称型超级电容器的制备方法，包括以下步骤：首先采用激光烧蚀的方法对锰板表面烧蚀处理制得MnO2/Mn复合材料作为正极，采用气相沉积法在锰表面沉积碳纳米管作为负极，然后将正极、隔膜、负极依次叠加成电池包放入封装壳体，电解液灌入封装壳体内部，制得非对称型超级电容器。该电容器倍率性能好，充放电稳定性能优异，循环性能好，且制备方法简单，成本低。

权利要求

1.一种非对称型超级电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)正极的制备：

首先将锰板用砂纸抛光，清洗干燥后置于激光加工器基台上，然后将聚焦高能密度脉冲激光束在含氧气氛中聚焦于清洁后的锰板表面，最后将激光束以均匀的速度对锰板表面进行扫描处理，制得MnO2/Mn复合材料，可直接作为超级电容器的正极；

(2)负极的制备

将锰板置于石英管中，通入碳源气体，升温至700-800℃，恒温处理1-3h，然后自然冷却至室温，制得沉积有碳纳米管的锰板作为超级电容器的负极；

(3)组装

将正极、隔膜、负极依次叠加成电池包放入封装壳体，电解液灌入封装壳体内部，制得非对称型超级电容器。

2.如权利要求1所述的一种非对称型超级电容器的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述聚焦高能密度脉冲激光为飞秒、皮秒或纳秒型，激光波长为紫外光、可见光或红外光，激光频率为1KHZ-10MHZ，激光脉冲能量为0.01μJ-1mJ，激光扫描速度为0.1mm/s-10m/s，间距为0.001-2mm。

3.如权利要求1所述的一种非对称型超级电容器的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述含氧气氛为空气气氛。

4.如权利要求1所述的一种非对称型超级电容器的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，MnO2/Mn复合材料中MnO2是由3-5nm的单个颗粒随机堆积在锰板表面而成的具有多孔性质的微米级颗粒组成。

5.如权利要求1所述的一种非对称型超级电容器的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述隔膜为PP和PE的复合膜、聚乙烯微孔膜、聚丙烯无纺布中的一种。

6.如权利要求1所述的一种非对称型超级电容器的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述电解液为硫酸钾、硫酸钠、氯化钾、氯化钠、硫酸钾、硝酸钙的水溶液中的一种。

7.如权利要求1所述的一种非对称型超级电容器的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述碳纳米管的管径大小为20-50nm。

8.如权利要求1所述的一种非对称型超级电容器的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述电解质溶液的浓度为1-6mol/L。

说明书

一种非对称型超级电容器的制备方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及电化学领域，具体的涉及一种非对称型超级电容器的制备方法。背景技术：

[0002] 超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件。与传统静电电容器相比，超级电容器具有更高的能量密度与电池相比，具有更大的功率密度。超级电容器具有瞬间释放特大电流、充放电效率高、循环寿命长等特点。在移动通信、信息技术、消费电子、电动汽车、航空航天和国防科技等领域具有重要和广阔的应用前景，在世界范围内引起了极大关注。超级电容器的研究，主要集中在高性能电极材料和电极的制备上。

[0003] 超级电容器用电极材料主要分为炭材料、金属氧化物和导电聚合物，超级电容器电极材料中，应用最为广泛的是各种炭材料。人们在对双电层理论研究的同时，也对影响双电层电容的材料特性进行了研究。研究发现炭材料的表面积、孔径分布、材料的电导率、表面状态以及材料的成本是影响超级电容器性能的重要指标。但是，由于炭材料表面很容易因吸附或物理化学处理等形成有机官能团。因此，充放电过程中，容易发生氧化还原反应产生赝电容，从而影响超级电容器的性能。对于由于等金属氧化物在电极电解液界面产生的鹰电容远大于活性炭材料表面的双电层电容，因而有着广阔的应用前景，近年来成为研究的热点。归纳起来，金属氧化物电极材料主要有氧化钉、氧化镍、氧化钻、氧化锰、氧化铁以及氧化铝等。但是对于金属氧化物的制备常用的是溶剂热法、化学气相沉积法，物理气相沉积法等，该方法不适于电极材料的大规模制备，且成本较高。导电聚合物是一种新型的电极材料，其最大的优点是可以通过分子设计选择相应的聚合物结构，从而进一步提高聚合物的性能，以得到符合要求的材料。目前仅有有限的导电聚合物可以在较高的还原电位下稳定地进行电化学型掺杂，如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚3,4-乙撑二氧噻吩、聚乙炔等。但掺杂时存在电阻过大或循环性能不好的问题。发明内容：

[0004] 本发明的目的是提供一种非对称型超级电容器的制备方法，该电容器倍率性能好，充放电稳定性能优异，循环性能好，且制备方法简单，成本低。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0006] 一种非对称型超级电容器的制备方法，包括以下步骤：

[0007] (1)正极的制备：

[0008] 首先将锰板用砂纸抛光，清洗干燥后置于激光加工器基台上，然后将聚焦高能密度脉冲激光束在含氧气氛中聚焦于清洁后的锰板表面，最后将激光束以均匀的速度对锰板表面进行扫描处理，制得MnO2/Mn复合材料，可直接作为超级电容器的正极；

[0009] (2)负极的制备

[0010] 将锰板置于石英管中，通入碳源气体，升温至700-800℃，恒温处理1-3h，然后自然冷却至室温，制得沉积有碳纳米管的锰板作为超级电容器的负极；

[0011] (3)组装

[0012] 将正极、隔膜、负极依次叠加成电池包放入封装壳体，电解液灌入封装壳体内部，制得非对称型超级电容器。

[0013] 作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述聚焦高能密度脉冲激光为飞秒、皮秒或纳秒型，激光波长为紫外光、可见光或红外光，激光频率为1KHZ-10MHZ，激光脉冲能量为0.01μJ-1mJ，激光扫描速度为0.1mm/s-10m/s，间距为0.001-2mm。

[0014] 作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述含氧气氛为空气气氛。

[0015] 作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，MnO2/Mn复合材料中MnO2是由3-5nm的单个颗粒随机堆积在锰板表面而成的具有多孔性质的微米级颗粒组成。

[0016] 作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述隔膜为PP和PE的复合膜、聚乙烯微孔膜、聚丙烯无纺布中的一种。

[0017] 作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述电解液为硫酸钾、硫酸钠、氯化钾、氯化钠、硫酸钾、硝酸钙的水溶液中的一种。

[0018] 作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述碳纳米管的管径大小为20-50nm。

[0019] 作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述电解质溶液的浓度为1-6mol/L。

[0020] 本发明具有以下有益效果：

[0021] 本发明采用激光烧蚀的方法制得纳米氧化锰，其直接长在锰板表面，与基板结合牢固，分散性好，且该制备方法高效快速，可控性强，可以规模化制备纳米氧化锰；

[0022] 另一方面本发明选择合适的负极材料、隔膜材料以及电解质溶液，使得制得的超级电容器具有能量密度大，倍率性能优异、循环稳定性好等优点。具体实施方式：

[0023] 为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。

[0024] 实施例1

[0025] 一种非对称型超级电容器的制备方法，包括以下步骤：

[0026] (1)正极的制备：

[0027] 首先将锰板用砂纸抛光，清洗干燥后置于激光加工器基台上，然后将聚焦高能密度脉冲激光束在空气气氛中聚焦于清洁后的锰板表面，最后将激光束以均匀的速度对锰板表面进行扫描处理，制得MnO2/Mn复合材料，可直接作为超级电容器的正极；其中，聚焦高能密度脉冲激光为飞秒、皮秒或纳秒型，激光波长为紫外光、可见光或红外光，激光频率为1KHZ-10MHZ，激光脉冲能量为0.01μJ-1mJ，激光扫描速度为5mm/s，间距为0.001-2mm；

[0028] (2)负极的制备

[0029] 将锰板置于石英管中，通入碳源气体，升温至700℃，恒温处理1h，然后自然冷却至室温，制得沉积有碳纳米管的锰板作为超级电容器的负极；

[0030] (3)组装

[0031] 将正极、PP和PE的复合膜、负极依次叠加成电池包放入封装壳体，浓度为1mol/L的硫酸钾的水溶液灌入封装壳体内部，制得非对称型超级电容器。

[0032] 实施例2

[0033] 一种非对称型超级电容器的制备方法，包括以下步骤：

[0034] (1)正极的制备：

[0035] 首先将锰板用砂纸抛光，清洗干燥后置于激光加工器基台上，然后将聚焦高能密度脉冲激光束在空气气氛中聚焦于清洁后的锰板表面，最后将激光束以均匀的速度对锰板表面进行扫描处理，制得MnO2/Mn复合材料，可直接作为超级电容器的正极；其中，聚焦高能密度脉冲激光为飞秒、皮秒或纳秒型，激光波长为紫外光、可见光或红外光，激光频率为1KHZ-10MHZ，激光脉冲能量为0.01μJ-1mJ，激光扫描速度为5cm/s，间距为0.001-2mm；

[0036] (2)负极的制备

[0037] 将锰板置于石英管中，通入碳源气体，升温至800℃，恒温处理3h，然后自然冷却至室温，制得沉积有碳纳米管的锰板作为超级电容器的负极；

[0038] (3)组装

[0039] 将正极、聚乙烯微孔膜、负极依次叠加成电池包放入封装壳体，浓度为6mol/L的硫酸钠水溶液灌入封装壳体内部，制得非对称型超级电容器。

[0040] 实施例3

[0041] 一种非对称型超级电容器的制备方法，包括以下步骤：

[0042] (1)正极的制备：

[0043] 首先将锰板用砂纸抛光，清洗干燥后置于激光加工器基台上，然后将聚焦高能密度脉冲激光束在空气气氛中聚焦于清洁后的锰板表面，最后将激光束以均匀的速度对锰板表面进行扫描处理，制得MnO2/Mn复合材料，可直接作为超级电容器的正极；其中，聚焦高能密度脉冲激光为飞秒、皮秒或纳秒型，激光波长为紫外光、可见光或红外光，激光频率为1KHZ-10MHZ，激光脉冲能量为0.01μJ-1mJ，激光扫描速度为5dm/s，间距为0.001-2mm；

[0044] (2)负极的制备

[0045] 将锰板置于石英管中，通入碳源气体，升温至720℃，恒温处理1.5h，然后自然冷却至室温，制得沉积有碳纳米管的锰板作为超级电容器的负极；

[0046] (3)组装

[0047] 将正极、聚丙烯无纺布、负极依次叠加成电池包放入封装壳体，浓度为2mol/L的氯化钾水溶液灌入封装壳体内部，制得非对称型超级电容器。

[0048] 实施例4

[0049] 一种非对称型超级电容器的制备方法，包括以下步骤：

[0050] (1)正极的制备：

[0051] 首先将锰板用砂纸抛光，清洗干燥后置于激光加工器基台上，然后将聚焦高能密度脉冲激光束在空气气氛中聚焦于清洁后的锰板表面，最后将激光束以均匀的速度对锰板表面进行扫描处理，制得MnO2/Mn复合材料，可直接作为超级电容器的正极；其中，聚焦高能密度脉冲激光为飞秒、皮秒或纳秒型，激光波长为紫外光、可见光或红外光，激光频率为1KHZ-10MHZ，激光脉冲能量为0.01μJ-1mJ，激光扫描速度为2m/s，间距为0.001-2mm；

[0052] (2)负极的制备

[0053] 将锰板置于石英管中，通入碳源气体，升温至740℃，恒温处理2h，然后自然冷却至室温，制得沉积有碳纳米管的锰板作为超级电容器的负极；

[0054] (3)组装

[0055] 将正极、PP和PE的复合膜、负极依次叠加成电池包放入封装壳体，浓度为3mol/L的氯化钠水溶液灌入封装壳体内部，制得非对称型超级电容器。

[0056] 实施例5

[0057] 一种非对称型超级电容器的制备方法，包括以下步骤：

[0058] (1)正极的制备：

[0059] 首先将锰板用砂纸抛光，清洗干燥后置于激光加工器基台上，然后将聚焦高能密度脉冲激光束在空气气氛中聚焦于清洁后的锰板表面，最后将激光束以均匀的速度对锰板表面进行扫描处理，制得MnO2/Mn复合材料，可直接作为超级电容器的正极；其中，聚焦高能密度脉冲激光为飞秒、皮秒或纳秒型，激光波长为紫外光、可见光或红外光，激光频率为1KHZ-10MHZ，激光脉冲能量为0.01μJ-1mJ，激光扫描速度为6m/s，间距为0.001-2mm；

[0060] (2)负极的制备

[0061] 将锰板置于石英管中，通入碳源气体，升温至760℃，恒温处理2.5h，然后自然冷却至室温，制得沉积有碳纳米管的锰板作为超级电容器的负极；

[0062] (3)组装

[0063] 将正极、聚乙烯微孔膜、负极依次叠加成电池包放入封装壳体，浓度为4mol/L的硝酸钙水溶液灌入封装壳体内部，制得非对称型超级电容器。

[0064] 经测试，本发明制得的电容器在正反反向反复充放电20000次后，电容量完全没有衰减；测试时电流密度从5mA增大为50mA，电容器的容量仍保持85％以上，说明本发明制得的电容器倍率性能优异。