CN101409336A - 一种复合电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种复合电极，该电极由导电材料基体同定向排列的一维纳米炭材料阵列粘贴制成。其制备方法是将阵列的底部同导电性较好的基底表面通过粘贴的方法连接。该方法操作简单、方便、且实用，制备的定向一维纳米炭材料阵列基复合电极具有优良的频率响应性能，功率密度大，能量密度高，循环使用寿命长，可以广泛应用于电池、超级电容器、燃料电池以及催化工业等领域，具有良好的应用前景。

Description

一种复合电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合电极及其制备方法，属于化学工程和新材料领域。可广泛应用于电池、超级电容器、燃料电池以及催化工业等领域。
背景技术
电化学双电层电容器(EDLC)具有大电容量，可大电流快速充放电和长循环使用寿命等优点，在许多需要高比功率、高循环效率和长寿命电源的领域得到了较广泛的应用。活性炭是使用最广泛的一种EDLC电极材料，它成本低、比容量高、制备工艺成熟。但活性炭固有的缺点制约了活性炭基EDLC性能的进一步提高。提高EDLC的性能，关键是研制出具有高比容量、高电导率和稳定性好的新型电极材料。碳纳米管具有一维的纳米尺寸、独特的电学性质及良好的机械性能，在1991年被发现后便在世界范围内掀起了研究和应用热潮，现已被广泛应用于平板显示和化学传感器等领域，它在EDLC电极材料领域也具有较好的应用前景。
梁奎等在专利申请号0.133455.2《碳纳米管复合电极超大容量电容器及其制造方法》中公开了利用碳纳米管与过度金属氧化物及导电聚合物相复合作为电容器电极材料，但方法为将电极材料压制在集电极上，存在较大接触电阻。成会明等在专利申请号200410020655.1《一种复合电极、复合电极电容器及复合电极的制备方法》中公开了在金属基体上直接生长一维纳米炭材料，但这种工艺流程较为复杂，实验条件较为苛刻，而且制备出的一维纳米炭材料定向性不佳，多呈卷曲状，致使一维纳米炭之间形成形状不规则的孔隙，影响材料的频率响应性能，限制了电容器的比功率性能的提高。相比之下，目前在石英或硅基底上制备一维纳米炭阵列的工艺已较成熟，制备出的一位纳米炭材料的定向性较佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种功率密度大，倍率性能好、能量密度高及使用寿命长的电极材料及其制备方法。
本发明提供一种复合电极材料，该电极由导电性良好的基体同定向排列的一维纳米炭材料阵列粘贴制成，该电极仅在阵列同基底之间存在较少的接触点，电极活性物质内部无粘结剂，降低了接触电阻。
本发明提供的复合电极的定向一维纳米炭材料阵列可以在基体的一面或两面。定向的一维纳米材料可利用的比表面大，使得复合电极具有较高的比容量；其孔径均一，使得电解液离子可在孔中快速迁移，复合电极具有较好的倍率性能。
本发明提供的复合电极的导电性良好的基体可以是钛、铝、铜、金、铂、镍、不锈钢、玻态炭、石墨、导电塑料、导电橡胶、高掺杂硅等金属或非金属的板、箔、网或泡沫状材料。
本发明提供的定向排列的一维纳米炭材料阵列中的一维纳米炭材料可以是直径0.5～5nm的单壁碳纳米管、直径2～150nm的多壁碳纳米管或直径20～500nm的纳米炭纤维材料构成。这些材料具有良好的导电性能和力学性能，使得复合电极具有较好的比功率性能和倍率性能能。
本发明提供一种复合电极的制备方法，是在具备定向排列的一维纳米炭材料阵列情况下，将阵列的底部同导电性较好的基底表面通过粘贴的方法连接，粘贴方法是用含石墨粉或金属粉的导电胶直接将阵列的底部同导电性的基底表面连接，或是先用树脂将阵列的底部同导电性的基底表面连接，再通过固化或炭化增强连接处的导电性，固化温度为120～400℃，炭化温度为400～1200℃。
本发明提供一种复合电极优点在于：该电极用导电性良好的集体同定向性的一维纳米炭阵列粘贴而成，该电极仅在阵列同基底之间存在较少的接触点，电极活性物质内部无粘结剂，接触电阻小，电极倍率性能好，比功率高，使用寿命长。
本发明提供一种复合电极制备方法的优点在于：该方法可以直接利用在石英或硅基底上生长的定向性较好的一维纳米炭阵列，复合电极制备的操作简单、方便，易于工业化。
附图说明
图1复合电极
1.导电材料基体，2.粘结层，3.一维纳米炭材料阵列
图2一维纳米炭材料阵列扫描电镜图片
具体实施方式
实施例1
用剃刀将0.8mm高的定向一维纳米炭阵列从石英衬底上切下并切成5mm×4mm面积的电极片，用石墨乳将该阵列粘贴到泡沫镍集流体上，120℃下烘干4个小时制备复合电极。以7MKOH为电解液，在298±1K的温度条件下进行电化学性能测试。复合电极为工作电极，活性炭材料为对电极，Hg/HgO为参比电极组建三电极体系测试***。50mA/g的电流密度进行充放电，电位范围为-0.8～0V(vs.Hg/HgO)，得到的比容量为14.1F/g。对毛皮炭材料电极进行循环伏安和交流阻抗性能测试。循环伏安的扫描速度为5～50mV/s，电位范围为-0.8～0V(vs.Hg/HgO)，发现不同倍率下得到的CV曲线形状相似，表明复合电极倍率性能极佳。交流阻抗的测试条件为直流恒压-0.8V(vs.Hg/HgO)，交流扰动幅度5mV，复合电极特征频率为2Hz。
实施例2
用热水将0.8mm高的定向一维纳米炭阵列从石英衬底上分离并切成10mm×10mm面积的电极片，用树脂将该阵列粘贴到泡沫镍集流体上，180℃下固化12个小时，800℃炭化2小时制备复合电极。以含1MLiPF6的EC/DMC溶液(EC∶DMC＝1∶1)为电解液电解液，在298±1K的温度条件下进行电化学性能测试。复合电极为工作电极，活性炭材料为对电极，铂黑电极为参比电极组建三电极体系测试***。50mA/g的电流密度进行充放电，电位范围为-1.5～0V(vs.铂黑电极)，得到的比容量为24.5F/g。对毛皮炭材料电极进行交流阻抗性能测试，测试条件为直流恒压-1.5V(vs.铂黑)，交流扰动幅度5mV，复合电极特征频率为1Hz。

Claims (2)

1、一种复合电极，其特征在于：该电极由导电材料基体(1)同定向排列的一维纳米炭材料阵列(3)组成，一维纳米炭材料是直径0.5～5nm的单壁碳纳米管、直径2～150nm的多壁碳纳米管或直径20～500nm的纳米炭纤维材料，定向排列的一维纳米炭材料阵列(3)通过粘贴层(2)粘贴到导电材料基体(1)的一面或两面，粘贴方法是用含石墨粉或金属粉的导电胶直接将阵列的底部同导电性的基底表面连接，或是先用树脂将阵列的底部同导电性的基底表面连接，再通过固化或炭化增强连接处的导电性，固化温度为120～400℃，炭化温度为400～1200℃。
2、根据权利要求1所述的复合电极，其特征在于：所述的导电材料基体是钛、铝、铜、金、铂、镍、不锈钢、玻态炭、石墨、导电塑料、导电橡胶、高掺杂硅的板、箔、网或泡沫状材料。
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