本發(fā)明屬于電極材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超級電容器的電極材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
超級電容器由于具有傳統(tǒng)電池無法比擬的高功率密度、長循環(huán)壽命和無污染等特點，有希望成為本世紀新型的綠色電源。電極材料是超級電容器最為關(guān)鍵的部分，也是決定其性能的主要因素，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中最核心的課題。
超級電容器常用的電極材料有導電高分子材料(聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩以及它們的衍生物等)、碳素材料(活性炭、碳納米管、碳纖維、石墨烯等)和金屬氧化物(氧化釕等)。上述電極材料單獨使用時均具有各自的優(yōu)缺點，復合電極材料能夠綜合不同材料的優(yōu)點，使其電性能進一步提高，從而獲得了廣泛的研究。
cn105111702a公開了一種基于高分子材料/石墨烯的復合電極材料，在電極改性過程中利用有機高分子材料的高溫降解，將納米鉑與石墨烯緊密結(jié)合并附著在電極上，提高了電極修飾物的均勻性，大大增加了載體電極的導電性。但實際上由于該復合電極材料所用的高分子材料本身不導電，且石墨烯和納米鉑分散困難，其添加量不能使其形成完整的導電通路，因此該復合電極材料的導電性能和比容量并不理想，經(jīng)研究，其在5ma/cm2的電流密度下的比容量僅為30-42f/g。此外，該復合電極材料的制備方法復雜，需要在氬氣保護下升溫至650℃以上，不利于工業(yè)生產(chǎn)。
因此，用于超級電容器的電極材料的導電性能和比容量還有待于進一步提高，其制備方法也需要進一步改進。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種超級電容器的電極材料及其制備方法。該電極材料具有較高的導電性能和比容量，有助于提高超級電容器的功率和能量。
為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一方面，本發(fā)明提供一種超級電容器的電極材料，按質(zhì)量百分含量計，包含如下原料組分：
碳納米管5-15％、納米鉑4-8％、氯化銀25-40％和導電高分子單體45-60％。
本發(fā)明提供的電極材料中，碳納米管被完全包覆于導電高分子單體形成的導電聚合物中，碳納米管高長徑比的特點使其可以將大面積的導電聚合物連接起來，形成完整的導電通路，并且碳納米管、納米鉑和氯化銀具有協(xié)同作用，通過將三者的用量調(diào)節(jié)在合適的范圍內(nèi)，從而使本發(fā)明提供的電極材料具有較高的導電性能和比容量。
本發(fā)明中，碳納米管的質(zhì)量百分含量可以是5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％或15％等。
納米鉑的質(zhì)量百分含量可以是4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％或8％等。
氯化銀的質(zhì)量百分含量可以是25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％或40％等。
導電高分子單體的質(zhì)量百分含量可以是45％、46％、47％、48％、49％、50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％或60％等。
優(yōu)選地，所述碳納米管的長徑比為100-200:1，例如可以是100:1、110:1、120:1、130:1、140:1、150:1、160:1、170:1、180:1、190:1或200:1等。
優(yōu)選地，所述納米鉑的粒徑為50-500nm，例如可以是50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm等。
優(yōu)選地，所述氯化銀的粒徑為50-200nm，例如可以是50nm、60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、150nm、160nm、180nm或200nm等。
優(yōu)選地，所述導電高分子單體選自吡咯、苯胺、噻吩、甲基吡咯或乙烯二氧噻吩中的一種或至少兩種的組合；例如可以是吡咯與苯胺的組合，吡咯與噻吩的組合、吡咯與甲基吡咯的組合、苯胺與噻吩的組合、苯胺與乙烯二氧噻吩的組合或甲基吡咯或乙烯二氧噻吩的組合等。
另一方面，本發(fā)明提供一種上述電極材料的制備方法，包括如下步驟：
(1)將配方量的碳納米管、納米鉑和氯化銀分散于表面活性劑的水溶液中，得到分散液a；
(2)向所述分散液a中加入配方量的導電高分子單體和電解質(zhì)，混合后得到分散液b；
(3)將工作電極和對電極置于所述分散液b中，在所述工作電極和對電極之間施加電壓，進行電化學聚合，聚合完成后，在所述工作電極上得到所述電極材料。
優(yōu)選地，所述表面活性劑為十二烷基硫酸鈉、十二烷基磺酸鈉、四乙基銨或四丁基銨。
優(yōu)選地，所述分散液a中，碳納米管、納米鉑和氯化銀的總質(zhì)量百分含量為0.05-0.2％，例如可以是0.05％、0.08％、0.1％、0.12％、0.15％、0.18％或0.2％等。
優(yōu)選地，所述電解質(zhì)選自氯化鈉、硝酸鈉、硫酸鈉、氯化鉀、硝酸鉀或硫酸鉀中的一種或至少兩種的組合，例如可以是氯化鈉與氯化鉀的組合、硝酸鈉與硫酸鈉的組合、硫酸鈉與氯化鉀的組合或硝酸鉀與硫酸鉀的組合等。
優(yōu)選地，所述分散液b中，電解質(zhì)的濃度為0.1-0.3mol/l，例如可以是0.1mol/l、0.15mol/l、0.2mol/l、0.25mol/l或0.3mol/l等。
優(yōu)選地，步驟(1)中所述分散和步驟(2)中所述混合均是在超聲震蕩下進行。
優(yōu)選地，步驟(3)中，所述工作電極和所述對電極之間的電流密度為0.1-10ma/cm2，例如可以是0.1ma/cm2、0.5ma/cm2、1ma/cm2、2ma/cm2、3ma/cm2、4ma/cm2、5ma/cm2、6ma/cm2、7ma/cm2、8ma/cm2、9ma/cm2或10ma/cm2等。
優(yōu)選地，步驟(3)中所述聚合的時間為15-30min，例如可以是15min、16min、17min、18min、19min、20min、21min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min、29min或30min等。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
本發(fā)明提供的電極材料中，碳納米管被完全包覆于導電高分子單體形成的導電聚合物中，碳納米管高長徑比的特點使其可以將大面積的導電聚合物連接起來，形成完整的導電通路，并且碳納米管、納米鉑和氯化銀具有協(xié)同作用，通過將三者的用量調(diào)節(jié)在合適的范圍內(nèi)，從而使本發(fā)明提供的電極材料具有較高的導電性能和比容量，其體積電阻率為50-200ω·cm，在5ma/cm2的電流密度下的比容量為240-300f/g。
具體實施方式
下面通過具體實施例來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述實施例僅僅是幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對本發(fā)明的具體限制。
實施例1
一種超級電容器的電極材料，按質(zhì)量百分含量計，包含如下原料組分：碳納米管5％、納米鉑8％、氯化銀27％和吡咯60％；
其中，碳納米管的長徑比為100:1，納米鉑的粒徑為50-100nm，氯化銀的粒徑為100-120nm。
上述電極材料的制備方法包括如下步驟：
(1)將配方量的碳納米管、納米鉑和氯化銀分散于十二烷基硫酸鈉的水溶液中，使碳納米管、納米鉑和氯化銀的總質(zhì)量百分含量為0.05％，超聲震蕩5-30min，得到分散液a；
(2)向分散液a中加入配方量的吡咯和硫酸鈉，使硫酸鈉的濃度為0.1mol/l，超聲震蕩5-30min，得到分散液b；
(3)將工作電極和對電極置于分散液b中，在工作電極和對電極之間施加電壓，使電流密度為5ma/cm2，進行電化學聚合，聚合時間為20min，聚合完成后，在工作電極上得到上述電極材料。
實施例2
一種超級電容器的電極材料，按質(zhì)量百分含量計，包含如下原料組分：碳納米管15％、納米鉑4％、氯化銀31％和苯胺50％；
其中，碳納米管的長徑比100:1，納米鉑的粒徑為150-200nm，氯化銀的粒徑為50-80nm。
上述電極材料的制備方法包括如下步驟：
(1)將配方量的碳納米管、納米鉑和氯化銀分散于十二烷基磺酸鈉的水溶液中，使碳納米管、納米鉑和氯化銀的總質(zhì)量百分含量為0.2％，超聲震蕩5-30min，得到分散液a；
(2)向分散液a中加入配方量的苯胺和硫酸鉀，使硫酸鉀的濃度為0.3mol/l，超聲震蕩5-30min，得到分散液b；
(3)將工作電極和對電極置于分散液b中，在工作電極和對電極之間施加電壓，使電流密度為0.1ma/cm2，進行電化學聚合，聚合時間為30min，聚合完成后，在工作電極上得到上述電極材料。
實施例3
一種超級電容器的電極材料，按質(zhì)量百分含量計，包含如下原料組分：碳納米管10％、納米鉑5％、氯化銀40％和噻吩45％；
其中，碳納米管的長徑比為150:1，納米鉑的粒徑為200-250nm，氯化銀的粒徑為80-100nm。
上述電極材料的制備方法包括如下步驟：
(1)將配方量的碳納米管、納米鉑和氯化銀分散于四丁基銨的水溶液中，使碳納米管、納米鉑和氯化銀的總質(zhì)量百分含量為0.1％，超聲震蕩5-30min，得到分散液a；
(2)向分散液a中加入配方量的噻吩和氯化鈉，使氯化鈉的濃度為0.2mol/l，超聲震蕩5-30min，得到分散液b；
(3)將工作電極和對電極置于分散液b中，在工作電極和對電極之間施加電壓，使電流密度為1ma/cm2，進行電化學聚合，聚合時間為25min，聚合完成后，在工作電極上得到上述電極材料。
實施例4
一種超級電容器的電極材料，按質(zhì)量百分含量計，包含如下原料組分：碳納米管8％、納米鉑6％、氯化銀36％和甲基吡咯45％；
其中，碳納米管的長徑比為160-180:1，納米鉑的粒徑為250-300nm，氯化銀的粒徑為150-160nm。
上述電極材料的制備方法包括如下步驟：
(1)將配方量的碳納米管、納米鉑和氯化銀分散于四乙基銨的水溶液中，使碳納米管、納米鉑和氯化銀的總質(zhì)量百分含量為0.15％，超聲震蕩5-30min，得到分散液a；
(2)向分散液a中加入配方量的甲基吡咯和硝酸鈉，使硝酸鈉的濃度為0.15mol/l，超聲震蕩5-30min，得到分散液b；
(3)將工作電極和對電極置于分散液b中，在工作電極和對電極之間施加電壓，使電流密度為8ma/cm2，進行電化學聚合，聚合時間為15min，聚合完成后，在工作電極上得到上述電極材料。
實施例5
一種超級電容器的電極材料，按質(zhì)量百分含量計，包含如下原料組分：碳納米管7％、納米鉑8％、氯化銀30％和乙烯二氧噻吩55％；
其中，碳納米管的長徑比為100-120:1，納米鉑的粒徑為350-500nm，氯化銀的粒徑為180-200nm。
上述電極材料的制備方法包括如下步驟：
(1)將配方量的碳納米管、納米鉑和氯化銀分散于十二烷基磺酸鈉的水溶液中，使碳納米管、納米鉑和氯化銀的總質(zhì)量百分含量為0.2％，超聲震蕩5-30min，得到分散液a；
(2)向分散液a中加入配方量的乙烯二氧噻吩和硫酸鈉，使硫酸鈉的濃度為0.25mol/l，超聲震蕩5-30min，得到分散液b；
(3)將工作電極和對電極置于分散液b中，在工作電極和對電極之間施加電壓，使電流密度為2ma/cm2，進行電化學聚合，聚合時間為22min，聚合完成后，在工作電極上得到上述電極材料。
對比例1
與實施例1的區(qū)別在于各原料組分的質(zhì)量百分含量分別為：碳納米管0％、納米鉑8％、氯化銀32％和吡咯60％。
對比例2
與實施例1的區(qū)別在于各原料組分的質(zhì)量百分含量分別為：碳納米管5％、納米鉑0％、氯化銀35％和吡咯60％。
對比例3
與實施例1的區(qū)別在于各原料組分的質(zhì)量百分含量分別為：碳納米管20％、納米鉑20％、氯化銀0％和吡咯60％。
對比例4
與實施例1的區(qū)別在于各原料組分的質(zhì)量百分含量分別為：碳納米管3％、納米鉑10％、氯化銀20％和吡咯60％
對比例5
與實施例1的區(qū)別在于各原料組分的質(zhì)量百分含量分別為：碳納米管18％、納米鉑2％、氯化銀20％和吡咯60％。
對比例6
與實施例1的區(qū)別在于各原料組分的質(zhì)量百分含量分別為：碳納米管4％、納米鉑3％、氯化銀43％和吡咯60％。
上述實施例1-5和對比例1-6提供的電極材料的性能數(shù)據(jù)如下表1所示。
表1
由表1的性能數(shù)據(jù)可知，當不添加碳納米管、納米鉑和氯化銀中的任何一者時，均會導致制得的電極材料的體積電阻率明顯升高，比容量大幅下降；當碳納米管、納米鉑或氯化銀的用量超出范圍時，同樣會導致制得的電極材料的導電性能和比容量降低；只有當碳納米管、納米鉑或氯化銀的用量均在合適的范圍內(nèi)時，三者才能更好地發(fā)揮協(xié)同作用，提高電極材料的導電性能和比容量。
申請人聲明，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，均落在本發(fā)明的保護范圍和公開范圍之內(nèi)。