一種制造用于電容器的復(fù)合電極的方法
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)施例公開了一種制造用于電容器的復(fù)合電極的方法，包括：將甲基苯磺酸鐵溶液加入異丙醇溶液中，并加入吡啶溶液，獲得混合溶液；在混合溶液中加入導(dǎo)電納米粒子并使導(dǎo)電納米粒子在混合溶液中充分分散，獲得涂敷溶液；將涂敷溶液在基片上涂敷至少兩層，獲得中間電極材料；將中間電極材料置于導(dǎo)電聚合物單體氣氛中進(jìn)行氣相沉積，獲得復(fù)合電極。本發(fā)明制備的復(fù)合電極材料具有比容量較高、循環(huán)性能好、可快速充放電、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛使用于超級電容器。
【專利說明】—種制造用于電容器的復(fù)合電極的方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及電子材料【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種制造用于電容器的復(fù)合電極的方法。
[0003]

【背景技術(shù)】
[0004]伴隨人類社會發(fā)展的日新月異，對能源的需求也飛速增長，但是傳統(tǒng)的化石能源不可再生，人類更加依賴清潔的、可再生的能源。超級電容器是一種介于普通電容器和二次電池之間的新型無維護(hù)儲能元件，比功率是電池的10倍以上，儲存電荷的能力比普通電容器高，具有工作溫度范圍廣、可快速充放電且循環(huán)壽命長、無污染零排放等特征。由于超級電容器具有比普通電容器更高比電容量和能量密度，而且同時(shí)具有比電池更高的功率密度，因此在通訊科技、信息技術(shù)、家用電器等各種工業(yè)領(lǐng)域以及電動(dòng)汽車、航空航天等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。
[0005]在電化學(xué)電容器的研究開發(fā)過程中，電極材料是決定超大容量電容器性能的關(guān)鍵因素之一，因此開發(fā)具有優(yōu)異性能的電極材料是超級電容器研究的核心問題。
[0006]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的之一是提供一種簡單、成本低的制造用于電容器的復(fù)合電極的方法，并且根據(jù)該方法制造的復(fù)合電極生產(chǎn)成本低、比容量較高、瞬時(shí)充放電性能優(yōu)異、循環(huán)穩(wěn)定性好。
[0008]本發(fā)明公開的技術(shù)方案包括:
提供了一種制造用于電容器的復(fù)合電極的方法，其特征在于，包括:將甲基苯磺酸鐵或者氯化鐵溶液加入有機(jī)溶劑中，并加入吡啶溶液調(diào)節(jié)PH，獲得混合溶液；在所述混合溶液中加入導(dǎo)電納米粒子并使所述導(dǎo)電納米粒子在所述混合溶液中充分分散，獲得涂敷溶液；將所述涂敷溶液涂敷在基片上，獲得中間電極材料；將所述中間電極材料置于導(dǎo)電聚合物單體氣氛中進(jìn)行氣相沉積，獲得所述復(fù)合電極。
[0009]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述甲基苯磺酸鐵或者氯化鐵溶液與所述有機(jī)溶劑的體積比為1:4至1:6，所述有機(jī)溶劑為異丙醇、正丁醇、乙醇或者N，N-二甲基甲酰胺。
[0010]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述吡啶溶液與所述甲基苯磺酸鐵或者氯化鐵溶液的體積比為1:22至1:28。
[0011]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述混合溶液的PH值為2至3。
[0012]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述導(dǎo)電納米粒子為二氧化錳、氧化釕、石墨烯或者碳納米管，所述導(dǎo)電納米粒子與所述異丙醇溶液的質(zhì)量體積比為2:1至20:1。
[0013]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用旋涂法將所述涂敷溶液涂敷在所述基片上。
[0014]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在獲得所述中間電極材料之后、在進(jìn)行氣相沉積之前還包括:將所述中間電極材料置于60至80攝氏度的溫度下進(jìn)行退火處理。
[0015]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述導(dǎo)電聚合物單體為3，4-乙撐二氧噻吩單體、吡咯或者苯胺單體。
[0016]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述氣相沉積的時(shí)間為20至30小時(shí)，所述氣相沉積的溫度為30至50攝氏度。
[0017]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在獲得所述復(fù)合電極之后還包括:將所述復(fù)合電極置于60至80攝氏度的溫度下進(jìn)行退火處理。
[0018]本發(fā)明制備的復(fù)合電極材料具有比容量較高、循環(huán)性能好、可快速充放電、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛使用于超級電容器。
[0019]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的制造用于電容器的復(fù)合電極的方法的流程示意圖。
[0021]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方法制造的復(fù)合電極的100mV/S的掃描速度下的循環(huán)伏安圖。
[0022]

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例的制造用于電容器的復(fù)合電極的方法的具體步驟。
[0024]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的制造用于電容器的復(fù)合電極的方法的流程示意圖。如圖1所示，本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，一種制造用于電容器的復(fù)合電極的方法包括步驟10、步驟12、步驟14和步驟16。下面將結(jié)合具體的實(shí)施例對這些步驟進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0025]步驟10:制備混合溶液。
[0026]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在步驟10中，可以將甲基苯磺酸鐵或者氯化鐵溶液加入有機(jī)溶劑中，然后加入吡啶溶液以調(diào)節(jié)PH，這樣，獲得混合溶液。
[0027]一個(gè)實(shí)施例中，這里的有機(jī)溶劑可以是異丙醇、正丁醇、乙醇或者N，N- 二甲基甲酰胺溶液。
[0028]例如，一個(gè)實(shí)施例中，可以將甲基苯磺酸鐵溶液滴加入異丙醇溶液中并攪拌均勻，然后加入吡啶溶液,充分混合均勻,從而獲得混合溶液。
[0029]一個(gè)實(shí)施例中，這里，甲基苯磺酸鐵或者氯化鐵溶液與有機(jī)溶劑的體積比可以為1:4 至 1:6。
[0030]一個(gè)實(shí)施例中，這里，吡啶溶液與甲基苯磺酸鐵或者氯化鐵溶液的體積比可以為1:22 至 1:28。
[0031]一個(gè)實(shí)施例中，步驟10中制備的混合溶液的PH值可以為約2至3。
[0032]步驟12:制備涂敷溶液。
[0033]在步驟10中制備了混合溶液之后，在步驟12中，可以在該混合溶液中加入導(dǎo)電納米粒子，并且是加入的導(dǎo)電納米粒子在該混合溶液中充分分散，從而獲得涂敷溶液。
[0034]例如，一個(gè)實(shí)施例中，可以將導(dǎo)電納米粒子加入該混合溶液中，使用超聲輔助分散的方法使導(dǎo)電納米粒子在混合溶液中充分分散，從而獲得涂敷溶液。
[0035]一個(gè)實(shí)施例中，這里的導(dǎo)電納米粒子可以為二氧化錳、氧化釕、石墨烯或者碳納米管。
[0036]一個(gè)實(shí)施例中，使用的導(dǎo)電納米粒子與前述的使用的異丙醇溶液的質(zhì)量體積比可以為2:1至20:1。
[0037]步驟14:將涂敷溶液涂敷在基片上，獲得中間電極材料。
[0038]在步驟12中制備了涂敷溶液之后，在步驟14中，可以將該涂敷溶液涂敷在基片上，從而獲得中間電極材料。
[0039]例如，一個(gè)實(shí)施例中，可以使用旋涂法將該涂敷溶液在基片上涂敷至少兩層，從而獲得中間電極材料。
[0040]一個(gè)實(shí)施例中，這里使用的基片可以是氧化銦錫(ΙΤ0)或者其他適合的材料。
[0041]一個(gè)實(shí)施例中，在步驟14中，在將涂敷溶液涂敷在基片上形成中間電極材料之后，在下文所述的步驟16之間，還包括退火步驟，即將該中間電極材料置于60至80攝氏度的溫度下進(jìn)行退火處理。例如，一個(gè)實(shí)施例中，可以退火處理2分鐘。
[0042]步驟16:將中間電極材料置于導(dǎo)電聚合物單體氣氛中進(jìn)行氣相沉積。
[0043]在步驟14中獲得了中間電極材料之后，在步驟16中，可以將該中間電極材料置于導(dǎo)電聚合物單體氣氛中進(jìn)行氣相沉積。此時(shí)，導(dǎo)電聚合物單體氣氛中的導(dǎo)電聚合物單體將在甲基苯磺酸鐵或者氯化鐵的作用下在中間電極材料上發(fā)生聚合反應(yīng)生成導(dǎo)電聚合物并且沉積在中間電極材料上,從而形成例如3，4-聚乙撐二氧噻吩(PEDOT) /導(dǎo)電納米粒子復(fù)合電極。
[0044]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電聚合物單體可以為3，4_乙撐二氧噻吩單體、吡咯、胺單體或者其他適合的導(dǎo)電聚合物單體。
[0045]一個(gè)實(shí)施例中，前述的氣相沉積的時(shí)間可以為20至30小時(shí)，氣相沉積的溫度可以為30至50攝氏度。
[0046]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在氣相沉積獲得復(fù)合電極之后，還包括對復(fù)合電極進(jìn)行退火的步驟，即，可以將該復(fù)合電極置于60至80攝氏度的溫度下進(jìn)行退火處理。例如，一個(gè)實(shí)施例中，可以退火處理2分鐘。然后，可以用乙醇溶液沖洗掉殘留的甲基苯磺酸鐵溶液，并在60V?100°C溫度下烘干。
[0047]經(jīng)過前述的步驟，可以獲得所需要的用于電容器的復(fù)合電極。
[0048]根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的方法制造的復(fù)合電極的100mV/S的掃描速度下的循環(huán)伏安圖如圖2所示。
[0049]下面詳細(xì)說明本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)例。
[0050]實(shí)例1:
步驟1:制備混合溶液:將Iml甲基苯磺酸溶液滴加到5ml異丙醇溶液溶液中，混合均勻后加入40ul吡啶溶液，充分混合均勻；
步驟2:涂敷溶液的制備:在所得混合溶液中加入1mg 二氧化錳，超聲輔助4小時(shí)即可得到所需涂敷溶液； 步驟3:旋涂:將ITO玻璃分別放入丙酮、乙醇、去離子水中超聲20分鐘清洗干凈，用氮?dú)獯蹈蓚溆?。旋涂儀設(shè)置前轉(zhuǎn)400r/min 1s ;后轉(zhuǎn)1500r/min 30s，在ITO玻璃正面旋涂2層，并在80°C下退火2分鐘；
步驟4:氣相沉積:將退火后的電極放入有3，4-乙撐二氧噻吩單體氣氛中，在50°C的溫度下氣相沉積24小時(shí)。取出后在80°C的溫度下退火2分鐘，用乙醇溶液沖洗掉殘留的甲基苯磺酸鐵溶液，烘干后即得到了 PEDOT/導(dǎo)電納米粒子超級電容器復(fù)合電極。
[0051]性能測試:用電化學(xué)工作站三電極測試系統(tǒng)，Pt電極為對電極，AgCl為參比電極，上述制作PEDOT/導(dǎo)電納米粒子超級電容器復(fù)合電極為工作電極，進(jìn)行電化學(xué)性能測試，電解液為0.5mol/L H2SO4溶液，采用循環(huán)伏安法和計(jì)時(shí)電位法，充放電電壓為-0.2V?IV，陽極電流為0.1mA，測得比容量為3.5mF/cm2。
[0052]實(shí)例2:
步驟1:制備混合溶液:將Iml甲基苯磺酸溶液滴加到5ml異丙醇溶液溶液中，混合均勻后加入40ul吡啶溶液，充分混合均勻；
步驟2:涂敷溶液的制備:在所得混合溶液中加入20mg 二氧化猛，超聲輔助4小時(shí)即可得到所需涂敷溶液；
步驟3:旋涂:將ITO玻璃分別放入丙酮、乙醇、去離子水中超聲20分鐘清洗干凈，用氮?dú)獯蹈蓚溆?。旋涂儀設(shè)置前轉(zhuǎn)400r/min 1s ;后轉(zhuǎn)1500r/min 30s，在ITO玻璃正面旋涂2層，并在80°C下退火2分鐘；
步驟4:氣相沉積:將退火后的電極放入有3，4-乙撐二氧噻吩單體氣氛中，在50°C的溫度下氣相沉積24小時(shí)。取出后在80°C的溫度下退火2分鐘，用乙醇溶液沖洗掉殘留的甲基苯磺酸鐵溶液，烘干后即得到了 PEDOT/導(dǎo)電納米粒子超級電容器復(fù)合電極。
[0053]性能測試:用電化學(xué)工作站三電極測試系統(tǒng)，Pt電極為對電極，AgCl為參比電極，上述制作PEDOT/導(dǎo)電納米粒子超級電容器復(fù)合電極為工作電極，進(jìn)行電化學(xué)性能測試，電解液為0.5mol/L H2SO4溶液，采用循環(huán)伏安法和計(jì)時(shí)電位法，充放電電壓為-0.2V?IV，陽極電流為0.01mA，測得比容量為2.3mF/cm2。
[0054]實(shí)例3:
步驟1:制備混合溶液:將Iml甲基苯磺酸溶液滴加到5ml異丙醇溶液溶液中，混合均勻后加入40ul吡啶溶液，充分混合均勻；
步驟2:涂敷溶液的制備:在所得混合溶液中加入30mg 二氧化猛，超聲輔助4小時(shí)即可得到所需涂敷溶液；
步驟3:旋涂:將ITO玻璃分別放入丙酮、乙醇、去離子水中超聲20分鐘清洗干凈，用氮?dú)獯蹈蓚溆?。旋涂儀設(shè)置前轉(zhuǎn)400r/min 1s ;后轉(zhuǎn)1500r/min 30s，在ITO玻璃正面旋涂2層，并在80°C下退火2分鐘；
步驟4:氣相沉積:將退火后的電極放入有3，4-乙撐二氧噻吩單體氣氛中，在50°C的溫度下氣相沉積24小時(shí)。取出后在80°C的溫度下退火2分鐘，用乙醇溶液沖洗掉殘留的甲基苯磺酸鐵溶液，烘干后即得到了 PEDOT/導(dǎo)電納米粒子超級電容器復(fù)合電極。
[0055]性能測試:用電化學(xué)工作站三電極測試系統(tǒng)，Pt電極為對電極，AgCl為參比電極，上述制作PEDOT/導(dǎo)電納米粒子超級電容器復(fù)合電極為工作電極，進(jìn)行電化學(xué)性能測試，電解液為0.5mol/L H2SO4溶液，采用循環(huán)伏安法和計(jì)時(shí)電位法，充放電電壓為-0.2V?IV，陽極電流為0.03mA，測得比容量為3.5mF/cm2。
[0056]本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，導(dǎo)電納米粒子和甲基苯磺酸鐵溶液同時(shí)被涂在了基片上，之后再進(jìn)行氣相沉積處理制備導(dǎo)電聚合物(例如，3，4-乙撐二氧噻吩)，這樣制備出來的復(fù)合電極材料之間符合性能較好，避免了二次成膜兩種材料之間接觸性能差的缺點(diǎn)。
[0057]而且，本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，使用了旋涂法和氣相沉積法，其中旋涂法具備薄膜厚度精確可控、高性價(jià)比、節(jié)能、低污染等優(yōu)點(diǎn)；氣相沉積法沉積溫度低，薄膜成份易控，膜厚與淀積時(shí)間成正比，均勻性，重復(fù)性好，臺階覆蓋性優(yōu)良。本發(fā)明的實(shí)施例的方法結(jié)合了此兩種成膜法的優(yōu)勢，制備方法簡單且成本較低，制得的電極材料生產(chǎn)成本低、比容量較高、瞬時(shí)充放電性能優(yōu)異、循環(huán)穩(wěn)定性好。
[0058]本發(fā)明制備的復(fù)合電極材料具有比容量較高、循環(huán)性能好、可快速充放電、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛使用于超級電容器。
[0059]現(xiàn)有技術(shù)的方法中，通常先通過氣相沉積法制備薄膜A，薄膜A是由導(dǎo)電聚合物組成的，另外通過原位聚合法制備薄膜B，在配置原位聚合所需的溶液中加入導(dǎo)電納米粒子，將導(dǎo)電納米粒子引入到薄膜B中，薄膜B是由導(dǎo)電聚合物和導(dǎo)電納米粒子組成的。
[0060]本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，在氣相沉積法制備導(dǎo)電聚合物薄膜的過程中，配置甲基苯磺酸鐵溶液的時(shí)候就加入了導(dǎo)電納米粒子，再涂覆到基片上，進(jìn)行氣相沉積制備導(dǎo)電聚合物，得到導(dǎo)電聚合物和導(dǎo)電納米粒子的復(fù)合薄膜，這樣是通過涂覆的方法加入了導(dǎo)電納米粒子。
[0061]與現(xiàn)有技術(shù)的方法相比，現(xiàn)有技術(shù)的原位聚合法的可控性差，制備薄膜的厚度不好掌控，而本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，涂覆的時(shí)候可以通過調(diào)節(jié)旋涂的轉(zhuǎn)速與旋涂時(shí)間可以更好地控制薄膜的厚度。
[0062]而且，現(xiàn)有技術(shù)的方法中，通常使用的導(dǎo)電納米粒子是碳系材料(石墨烯或碳納米管)，現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例的方法中，不僅可以使用碳系材料(石墨烯或碳納米管)，也可以使用金屬氧化物(例如，二氧化錳或氧化釕)。
[0063]以上通過具體的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限于這些具體的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，還可以對本發(fā)明做各種修改、等同替換、變化等等，這些變換只要未背離本發(fā)明的精神，都應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。此外，以上多處所述的“一個(gè)實(shí)施例”表示不同的實(shí)施例，當(dāng)然也可以將其全部或部分結(jié)合在一個(gè)實(shí)施例中。
【權(quán)利要求】
1.一種制造用于電容器的復(fù)合電極的方法，其特征在于，包括: 將甲基苯磺酸鐵或者氯化鐵溶液加入有機(jī)溶劑中，并加入吡啶溶液調(diào)節(jié)PH，獲得混合溶液； 在所述混合溶液中加入導(dǎo)電納米粒子并使所述導(dǎo)電納米粒子在所述混合溶液中充分分散，獲得涂敷溶液； 將所述涂敷溶液涂敷在基片上，獲得中間電極材料； 將所述中間電極材料置于導(dǎo)電聚合物單體氣氛中進(jìn)行氣相沉積，獲得所述復(fù)合電極。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述甲基苯磺酸鐵或者氯化鐵溶液與所述有機(jī)溶劑的體積比為1:4至1:6，所述有機(jī)溶劑為異丙醇、正丁醇、乙醇或者N，N-二甲基甲酰胺。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述吡啶溶液與所述甲基苯磺酸鐵或者氯化鐵溶液的體積比為1:22至1:28。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于:所述混合溶液的PH值為2至3。
5.如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于:所述導(dǎo)電納米粒子為二氧化錳、氧化釕、石墨烯或者碳納米管，所述導(dǎo)電納米粒子與所述異丙醇溶液的質(zhì)量體積比為2:1 至 20:1。
6.如權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于:使用旋涂法將所述涂敷溶液涂敷在所述基片上。
7.如權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在獲得所述中間電極材料之后、在進(jìn)行氣相沉積之前還包括:將所述中間電極材料置于60至80攝氏度的溫度下進(jìn)行退火處理。
8.如權(quán)利要求1至7中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于:所述導(dǎo)電聚合物單體為3，4-乙撐二氧噻吩單體、吡咯或者苯胺單體。
9.如權(quán)利要求1至7中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于:所述氣相沉積的時(shí)間為20至30小時(shí)，所述氣相沉積的溫度為30至50攝氏度。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在獲得所述復(fù)合電極之后還包括:將所述復(fù)合電極置于60至80攝氏度的溫度下進(jìn)行退火處理。
【文檔編號】H01G11/22GK104269276SQ201410476261
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】徐建華, 夏曼, 陳燕, 位姣姣, 李曉琳, 楊文耀, 楊亞杰 申請人:電子科技大學(xué)