專利名稱：一種基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器的組裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器的組裝方法。
背景技術(shù)：
超級(jí)電容器作為一種新型儲(chǔ)能器件受到了廣泛關(guān)注和大量研究(Nat. Mater. 2008，7，845-854)，這是由于超級(jí)電容器填補(bǔ)了電池與傳統(tǒng)電容器之間的空白， 即它的能量密度與功率密度均介于這兩者之間。超級(jí)電容器較高的能量密度，超大的功率密度以及超長的使用壽命使其倍受青睞，已經(jīng)被應(yīng)用于起重機(jī)，電梯，電動(dòng)汽車， 能源管理系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。(Nat. Mater. 2008，7，845 ；Adv. Mater. 2011，DOI :10. 1002/ adma. 201100984 ；Chem.Rev. 2004，104,4245 ；J.Power Sources 2006，157，11 ；Energy Environ. Sci. 2010，3，1294 ；Angew. Chem. Int. Ed. 2011，50，1683 ；Science 2008，321，651 ； Science 2010,329,1637)可被應(yīng)用于超級(jí)電容器的材料有許多，包括金屬氧化物，導(dǎo)電高分子和碳材料等。其中碳材料被研究的最多，這是由于其具有近乎無窮多的微觀結(jié)構(gòu)，并由此可能得到具有超高的比表面，規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)定骨架的材料，而這些特征均為提高超級(jí)電容器性能的有利因素。目前為止，有許多類型的碳材料被研究作為超級(jí)電容器電極材料，包括活性炭(Electrochem. Comm. 2008，10，1809 ；Electrochem. Comm. 2008，10， 868 ；Electrochem. Comm. 2008，10，795),碳納米管(Nat. Mater. 2006，5，987 ；Adv. Funct. Mater. 2001,11,387 ；PNAS 2009，106，21491)，模板碳(Adv. Mater. 2011，DOI :10.1002/ adma. 201100984)以及石墨烯(Adv. Mater. 2011,23,2833 ；Science 2011，332，1537)。這其中活性炭在較大功率充放電時(shí)表現(xiàn)不佳，碳管比電容不高，而模板碳和石墨烯的高制備及活化成本限制了它們的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器的組裝方法，這種超級(jí)電容器具有高性能和更低的成本。本發(fā)明所述基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器的組裝方法，包括如下步驟1)配置空心碳納米籠漿液將水、有機(jī)溶劑和Nafion按體積比4 0. 8 0. 2混合，得到濃度為5%的Nafion 混合溶液；再將在670-1100°C下合成的空心碳納米籠超聲分散于前述混合溶液中，形成空心碳納米籠漿液；2)取步驟1)中配置的空心碳納米籠漿液均勻涂抹于集流體之上，待其自然干燥， 即制得空心碳納米籠電極，將此電極浸泡于下述所用電解液中備用。3)組裝基于空心碳納米籠電極的超級(jí)電容器將依步驟2)得到的兩個(gè)相同的電極用經(jīng)電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。上述步驟1)中，有機(jī)溶劑是乙醇，丙醇或丙酮中的任意一種或一種以上任意比例的混合物，具體根據(jù)分散性的需要采用單一或混合溶劑。上述步驟1)中，由于空心碳納米籠漿液太稀或太濃均不利于成膜，因此其濃度優(yōu)選為2 5mg/mL。上述步驟1)中，由于超聲時(shí)間太短不利于分散，太長也是不必要的，因此超聲分散的時(shí)間優(yōu)選不低于30分鐘不超過60分鐘。上述步驟2)中，為確保集流體在電容器介質(zhì)中性質(zhì)穩(wěn)定，集流體選自銅片，不銹鋼片，鉬片或鋁片。上述步驟2、中，空心碳納米籠漿液涂抹于集流體之上經(jīng)干燥后所形成的涂覆層的厚為優(yōu)選2-200 μ m，其原因是涂覆層太薄，集流體的利用率低，單位面積內(nèi)的電容低；涂覆層太厚，電阻會(huì)增加，涂覆層也容易脫落。上述步驟幻中，為防止空心碳納米籠漿液涂抹于集流體之上經(jīng)干燥后所形成的涂覆層從集流片上脫落，從而使超級(jí)電容器失效，可以在涂覆層干燥之前或之后在涂覆層之上施加l-20kg/cm2壓力，以形成均勻的涂覆層并保持穩(wěn)固。壓實(shí)后對(duì)電化學(xué)電容性能降低不大，仍能保持95%以上。上述步驟2~)和步驟幻中，所述電解液選用硫酸、堿金屬氫氧化物(如氫氧化鉀， 氫氧化鈉)、硫酸鹽(如硫酸鈉)或高氯酸鹽(如高氯酸鋰)，濃度為0. l-5mol/mL。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)采用本發(fā)明得到的超級(jí)電容器工作電位范圍對(duì)于硫酸溶液作為電解液時(shí)是0.9V， 對(duì)于堿金屬氫氧化物(如氫氧化鉀或氫氧化鈉)作為電解液時(shí)是1. 3V，對(duì)于硫酸鹽或高氯酸鹽(如硫酸鈉或高氯酸鋰)作為電解液時(shí)是1. 8V。采用本發(fā)明得到的超級(jí)電容器對(duì)于0. 255mg/cm2厚度的電極在低充放電速率下最大的比電容為260F/g，在較高充放電速率下仍能保持高性能，例如ΙΟΑ/g充放電速率下為 180F/g，100A/g下仍然大于110F/g。采用本發(fā)明得到的超級(jí)電容器具有較好的穩(wěn)定性，例如以ΙΟΑ/g充放電時(shí)，電容在頭1000周下降約10%而在接下來的9000周內(nèi)保持幾乎不變。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1以水-乙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的0. lmg/mL空心碳納米籠懸濁液以玻璃碳為集流體制成的電極。稱取IOmg 670°C制備的空心碳納米籠，在IOOmL水-乙醇-5% Nafion混合液 (比例為4 0.8 0.2)中超聲分散30分鐘，形成濃度為0.1mg/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液，量取15 μ L該懸濁漿液，滴加至直徑5mm的玻璃碳集流體之上，以形成厚度2 μ m 的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于 0. Imol/mL硫酸電解液中備用。將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)0. Imol/mL硫酸電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有0. 9V的工作電壓，在放電速率為0. lA/g時(shí)具有210F/g的比電容，10A/g具有 150F/g，100A/g具有100F/g。其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。實(shí)施例2以水-乙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的ang/mL 700°C合成空心碳納米籠懸濁液以玻璃碳為集流體制成的電極。
稱取IOmg 700°C合成空心碳納米籠，在5mL水-乙醇-5% Nafion混合液(比例為4 0.8 0.2)中超聲分散40分鐘，形成濃度為ang/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液， 量取20 μ L該懸濁漿液，滴加至直徑5mm的玻璃碳集流體之上，以形成厚度10 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于Imol/mL 硫酸電解液中備用。將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)Imol/mL硫酸電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有0. 9V的工作電壓，在放電速率為0. lA/g時(shí)具有MOF/g的比電容，ΙΟΑ/g具有 170F/g， 100A/g具有110F/g。其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。實(shí)施例3以水-乙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的2. 5mg/mL 700°C合成空心碳納米籠懸濁液以鉬片為集流體制成的電極。稱取IOmg 700°C合成空心碳納米籠，在4mL水-乙醇-5% Nafion混合液(比例為4 0.8 0.2)中超聲分散50分鐘，形成濃度為2. 5mg/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液，量取25 μ L該懸濁漿液，滴加至直徑5mm的鉬片集流體之上，在電極干燥之前在薄膜之上施加壓力20kg/cm2壓強(qiáng)壓實(shí)，以形成厚度15 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于5mol/mL硫酸電解液中備用。將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)5mol/mL硫酸電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有0. 9V的工作電壓，在放電速率為0. lA/g時(shí)具有240F/g的比電容，10A/g具有 170F/g, 100A/g具有105F/g。其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。實(shí)施例4以水-乙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的5mg/mL 750°C合成空心碳納米籠懸濁液以鉬片為集流體制成的電極。稱取IOmg 750°C合成空心碳納米籠，在2mL水-乙醇-5% Nafion混合液(比例為4 0.8 0. 中超聲分散40分鐘，形成濃度為5mg/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液，量取40 μ L該懸濁漿液，滴加至直徑IOmm的鉬片集流體之上，在電極干燥之后在薄膜之上施加壓力lOkg/cm2壓強(qiáng)壓實(shí)，以形成厚度30 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于0. Imol/mL氫氧化鉀電解液中備用。將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)0. Imol/mL氫氧化鉀電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有0. 9V的工作電壓， 在放電速率為0. lA/g時(shí)具有220F/g的比電容，10A/g具有 170F/g，100A/g具有100F/g。 其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。實(shí)施例5以水-丙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的10mg/mL空心碳納米籠懸濁液以玻璃碳為集流體制成的電極。稱取IOmg 700°C制備的空心碳納米籠，在ImL水-丙醇-5% Nafion混合液(比例為4 0.8 0.2)中超聲分散45分鐘，形成濃度為lOmg/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液，量取60 μ L該懸濁漿液，滴加至直徑5mm的玻璃碳集流體之上，在電極干燥之前在薄膜之上施加壓力lkg/cm2壓強(qiáng)壓實(shí)，以形成厚度50 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于0. Imol/mL氫氧化鈉電解液中備用。 將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)0. Imol/mL氫氧化鈉電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有0. 9V的工作電壓，在放電速率為0. lA/g時(shí)具有MOF/g的比電容，ΙΟΑ/g具有 200F/g，100A/g具有 105F/g。其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。實(shí)施例6以水-丙酮-5% Nafion溶液為分散液配置的2mg/mL空心碳納米籠懸濁液以玻璃碳為集流體制成的電極。稱取IOmg 750°C制備空心碳納米籠，在5mL水-丙酮-5% Nafion混合液(比例為4 0.8 0. 中超聲分散45分鐘，形成濃度為ang/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液，量取80 μ L該懸濁漿液，滴加至直徑5mm的玻璃碳集流體之上，在電極干燥之后在薄膜之上施加壓力15kg/cm2壓強(qiáng)壓實(shí)，以形成厚度70 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于Imol/mL氫氧化鈉電解液中備用。將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)Imol/mL氫氧化鈉電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有0. 9V的工作電壓，在放電速率為0. lA/g時(shí)具有260F/g的比電容，10A/g具有 180F/g, 100A/g具有110F/g。其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。實(shí)施例7以水-乙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的10mg/mL空心碳納米籠懸濁液以鉬片為集流體制成的電極。稱取IOmg 800°C制備空心碳納米籠，在ImL水-乙醇-5% Nafion混合液(比例為 4 0.8 0.2)中超聲分散45分鐘，形成濃度為lOmg/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液，量取100 μ L該懸濁漿液，滴加至直徑5mm的鉬片集流體之上，在電極干燥之后在薄膜之上施加壓力lOkg/cm2壓強(qiáng)壓實(shí)，以形成厚度95 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于0. Imol/mL硫酸鈉電解液中備用。將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)0. Imol/mL硫酸鈉電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有0. 9V的工作電壓，在放電速率為0. lA/g時(shí)具有245F/g的比電容，10A/g具有 170F/g, 100A/g具有102F/g。其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。實(shí)施例8以水-乙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的5mg/mL空心碳納米籠懸濁液以鉬片為集流體制成的電極。稱取IOmg 850°C制備空心碳納米籠，在2mL水-乙醇-5% Nafion混合液(比例為4 0.8 0.2)中超聲分散45分鐘，形成濃度為5mg/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液， 量取125 μ L該懸濁漿液，滴加至直徑5mm的鉬片集流體之上，在電極干燥之前在薄膜之上施加壓力20kg/cm2壓強(qiáng)壓實(shí)，以形成厚度120 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于Imol/mL硫酸鈉電解液中備用。將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)Imol/mL硫酸鈉電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有1.8V的工作電壓，在放電速率為0. lA/g時(shí)具有210F/g的比電容，10A/g具有 150F/g，100A/g具有90F/g。其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。實(shí)施例9以水-乙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的2mg/mL空心碳納米籠懸濁液以玻璃碳為集流體制成的電極。稱取IOmg 900°C制備空心碳納米籠，在5mL水-乙醇-5% Nafion混合液(比例為4 0.8 0.2)中超聲分散30分鐘，形成濃度為ang/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液，量取150 μ L該懸濁液，滴加至直徑5mm的玻璃碳集流體之上，在電極干燥之前在薄膜之上施加壓力lOkg/cm2壓強(qiáng)壓實(shí)，以形成厚度130 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于5mol/mL硫酸鈉電解液中備用。將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)5mol/mL硫酸鈉電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有1.3V的工作電壓，在放電速率為lA/g時(shí)具有約210F/g的比電容，ΙΟΑ/g具有 180F/g，100A/g具有110F/g。實(shí)施例10以水-乙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的2. 5mg/mL 670°C合成空心碳納米籠懸濁液以玻璃碳為集流體制成的電極。稱取IOmg 670°C合成空心碳納米籠，在4mL水-乙醇-5% Nafion混合液(比例為4 0.8 0.2)中超聲分散40分鐘，形成濃度為2. 5mg/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液， 量取175 μ L該懸濁液，滴加至直徑5mm的玻璃碳集流體之上，在電極干燥之后在薄膜之上施加壓力lOkg/cm2壓強(qiáng)壓實(shí)，以形成厚度160 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于Imol/mL高氯酸鋰電解液中備用。將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)Imol/mL高氯酸鋰電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有1. 8V的工作電壓， 在放電速率為0. lA/g時(shí)具有220F/g的比電容，10A/g具有 160F/g，100A/g具有100F/g。 其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。實(shí)施例11以水-乙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的0. lmg/mL 750°C合成空心碳納米籠懸濁液以玻璃碳為集流體制成的電極。稱取IOmg 750°C合成空心碳納米籠，在IOOmL水-乙醇-5% Nafion混合液(比例為4 0.8 0.2)中超聲分散45分鐘，形成濃度為0. lmg/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液，量取200 μ L該懸濁漿液，滴加至直徑5mm的玻璃碳集流體之上，在電極干燥之前在薄膜之上施加壓力lOkg/cm2壓強(qiáng)壓實(shí)，以形成厚度180 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于5mol/mL高氯酸鋰電解液中備用。 將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)5mol/mL高氯酸鋰電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有0. 9V的工作電壓，在放電速率為0. lA/g時(shí)具有的比電容，10A/g具有 170F/g，100A/g具有100F/ go其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。實(shí)施例12以水-乙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的5mg/mL 800°C合成空心碳納米籠懸濁液以玻璃碳為集流體制成的電極。稱取IOmg 800°C合成空心碳納米籠，在2mL水-乙醇-5% Nafion混合液(比例為4 0.8 0.2)中超聲分散35分鐘，形成濃度為5mg/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液， 量取220 μ L該懸濁漿液，滴加至直徑5mm的玻璃碳集流之上，在電極干燥之前在薄膜之上施加壓力20kg/cm2壓強(qiáng)壓實(shí)，以形成厚度200 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于2mol/mL硫酸電解液中備用。將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)2mol/mL硫酸電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有0. 9V的工作電壓，在放電速率為0. lA/g時(shí)具有M0F/g的比電容，10A/g具有 170F/g，100A/g具有110F/g。其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
實(shí)施例13以水-乙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的5mg/mL 850°C合成空心碳納米籠懸濁液以玻璃碳為集流體制成的電極。稱取IOmg 850°C合成空心碳納米籠，在2mL水-乙醇-5% Nafion混合液(比例為4 0.8 0.2)中超聲分散35分鐘，形成濃度為5mg/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液， 量取25 μ L該懸濁漿液，滴加至直徑5mm的玻璃碳集流體之上，在電極干燥之前在薄膜之上施加壓力lOkg/cm2壓強(qiáng)壓實(shí)，以形成厚度15 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于4mol/mL硫酸電解液中備用。將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)4mol/mL硫酸電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有0. 9V的工作電壓，在放電速率為0. lA/g時(shí)具有230F/g的比電容，ΙΟΑ/g具有 165F/g，100A/g具有100F/g。其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。實(shí)施例14以水-乙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的5mg/mL 900°C合成空心碳納米籠懸濁液以玻璃碳為集流體制成的電極。稱取IOmg 900°C合成空心碳納米籠，在2mL水-乙醇-5% Nafion混合液(比例為4 0.8 0.2)中超聲分散45分鐘，形成濃度為5mg/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液， 量取25 μ L該懸濁漿液，滴加至直徑5mm的玻璃碳集流體之上，在電極干燥之前在薄膜之上施加壓力lOkg/cm2壓強(qiáng)壓實(shí)，以形成厚度15 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于0. Imol/mL硫酸電解液中備用。將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)0. Imol/mL硫酸電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有1.3V的工作電壓，在放電速率為0. lA/g時(shí)具有220F/g的比電容，10A/g具有 155F/g，100A/g具有98F/g。其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。實(shí)施例15以水-乙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的5mg/mL 950°C合成空心碳納米籠懸濁液以玻璃碳為集流體制成的電極。稱取IOmg 950°C合成空心碳納米籠，在2mL水-乙醇-5% Nafion混合液(比例為4 0.8 0.2)中超聲分散45分鐘，形成濃度為5mg/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液， 量取25 μ L該懸濁漿液，滴加至直徑5mm的玻璃碳集流體之上，在電極干燥之后在薄膜之上施加壓力20kg/cm2壓強(qiáng)壓實(shí)，以形成厚度15 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于0. Imol/mL硫酸電解液中備用。將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)0. Imol/mL硫酸電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有0. 9V的工作電壓，在放電速率為0. lA/g時(shí)具有200F/g的比電容，10A/g具有 140F/g，100A/g具有90F/g。其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。實(shí)施例16以水-乙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的5mg/mL 1000°C合成空心碳納米籠懸濁液以玻璃碳為集流體制成的電極。稱取IOmg 1000°C合成空心碳納米籠，在2mL水-乙醇-5% Nafion混合液(比例為4 0.8 0.2)中超聲分散45分鐘，形成濃度為5mg/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液， 量取25 μ L該懸濁漿液，滴加至直徑5mm的玻璃碳集流體之上，在電極干燥之前在薄膜之上施加壓力lOkg/cm2壓強(qiáng)壓實(shí)，以形成厚度15 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于5mol/mL硫酸電解液中備用。將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)5mol/mL硫酸電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有0. 9V的工作電壓，在放電速率為0. lA/g時(shí)具有170F/g的比電容，ΙΟΑ/g具有 110F/g，100A/g具有80F/g。其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。實(shí)施例17以水-乙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的2. 5mg/mL 1050°C合成空心碳納米籠懸濁液以玻璃碳為集流體制成的電極。稱取IOmg 1050°C合成空心碳納米籠，在4mL水-乙醇-5% Nafion混合液(比例為4 0.8 0.2)中超聲分散45分鐘，形成濃度為2. 5mg/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液， 量取25 μ L該懸濁漿液，滴加至直徑5mm的玻璃碳集流體之上，在電極干燥之前在薄膜之上施加壓力lOkg/cm2壓強(qiáng)壓實(shí)，以形成厚度15 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于0. Imol/mL硫酸電解液中備用。將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)0. Imol/mL硫酸電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有0. 9V的工作電壓，在放電速率為0. lA/g時(shí)具有150F/g的比電容，10A/g具有 110F/g，100A/g具有75F/g。其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。實(shí)施例18以水-乙醇-5% Nafion溶液為分散液配置的5mg/mL 1100°C合成空心碳納米籠懸濁液以玻璃碳為集流體制成的電極。稱取IOmg 1100°C合成空心碳納米籠，在2mL水-乙醇-5% Nafion混合液(比例為4 0.8 0.2)中超聲分散45分鐘，形成濃度為5mg/mL空心碳納米籠漿液懸濁漿液， 量取25 μ L該懸濁漿液，滴加至直徑5mm的玻璃碳集流體之上，在電極干燥之前在薄膜之上施加壓力lOkg/cm2壓強(qiáng)壓實(shí)，以形成厚度15 μ m的均勻薄膜，待其自然干燥，即得到基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器電極，將此電極浸泡于0. Imol/mL硫酸電解液中備用。將兩個(gè)依上述方法制成的電極用經(jīng)0. Imol/mL硫酸電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。依據(jù)此法得到的超級(jí)電容器具有0. 9V的工作電壓，在放電速率為0. lA/g時(shí)具有130F/g的比電容，10A/g具有 90F/g，100A/g具有70F/g。其穩(wěn)定性已被10000周高速充放電實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
權(quán)利要求
1.一種基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器的組裝方法，其特征在于包括如下步驟1)配置空心碳納米籠漿液將水、有機(jī)溶劑和Nafion按體積比4 0. 8 0. 2混合，得到濃度為5%的Nafion混合溶液；再將在670-1100°C下合成的空心碳納米籠超聲分散于前述混合溶液中，形成空心碳納米籠漿液；2)取步驟1)中配置的空心碳納米籠漿液均勻涂抹于集流體之上，待其自然干燥，即制得空心碳納米籠電極，將此電極浸泡于下述所用電解液中備用。3)組裝基于空心碳納米籠電極的超級(jí)電容器將依步驟2)得到的兩個(gè)相同的電極用經(jīng)電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其特征是步驟1)中，有機(jī)溶劑是乙醇，丙醇或丙酮中的任意一種或一種以上任意比例的混合物。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其特征是步驟1)中，空心碳納米籠漿液的濃度可為0. 1 10mg/mL。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其特征是步驟1)中，其特征是步驟1)中，超聲分散時(shí)間不低于30分鐘不超過60分鐘。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其特征是步驟2)中，集流體選自玻璃碳、銅片、不銹鋼片、鉬片或鋁片。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟2)中，空心碳納米籠漿液涂抹于集流體之上經(jīng)干燥后所形成的涂覆層的厚2-200 μ m空心碳納米籠電極薄膜。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟幻中，在電極干燥之前或之后在涂覆層之上施加壓力，以形成均勻涂覆層。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于步驟幻中，在電極干燥之前或之后在涂覆層之上施加的壓力為l_20kg/cm2。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟3)中，所述電解液選自硫酸、堿金屬氫氧化物、硫酸鹽或高氯酸鹽，濃度為0. l-5mol/mL。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于空心碳納米籠的超級(jí)電容器的組裝方法，包括如下步驟1)將水、有機(jī)溶劑和Nafion按體積比4∶0.8∶0.2混合，得到濃度為5％的Nafion混合溶液；再將在670-1100℃下合成的空心碳納米籠超聲分散于前述混合溶液中，形成空心碳納米籠漿液；2)空心碳納米籠漿液均勻涂抹于集流體之上，待其自然干燥，即制得空心碳納米籠電極，將此電極浸泡于下述所用電解液中備用；3)將依步驟2)得到的兩個(gè)相同的電極用經(jīng)電解液浸潤的離子透過膜隔開，壓緊并密封兩個(gè)電極，即組裝成為超級(jí)電容器。采用本發(fā)明得到的超級(jí)電容器具有較好的穩(wěn)定性，對(duì)于0.255mg/cm2厚度的電極在低充放電速率下最大的比電容為260F/g，在較高充放電速率下仍能保持高性能。
文檔編號(hào)H01G9/042GK102568856SQ201210065748
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月14日
發(fā)明者吳強(qiáng), 楊立軍, 王喜章, 胡征, 謝克, 陳盛 申請(qǐng)人:南京大學(xué)