生物質基膠體電解質及生物質基膠體電解質超級電容器的制造方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬于超級電容器技術領域，具體涉及生物質基膠體電解質及生物質基膠體電解質超級電容器。
【背景技術】
[0002]超級電容器是一種比傳統電容器能量密度高，比二次電池功率密度大的新型儲能器件。其具有充放電速度快、效率高、循環壽命長、工作溫度范圍寬、安全性高等優點，在電動汽車、武器裝備、航空航天以及電力儲能等領域具有廣闊的應用前景。
[0003]目前超級電容器均使用水系或有機系電解液,在運輸和使用過程中，超級電容器的外殼容易出現破損，發生電解液的泄漏。此外，電解液的腐蝕作用也有可能造成超級電容器外殼的破損。超級電容器電解液的外泄，不僅會使其性能嚴重衰減，而且還會對環境造成污染。膠體電解質呈現出一種半固、半液狀態，游離的液體很少，能夠克服液體電解質(如強酸、強堿等)腐蝕性強、環境污染重等不足，以及有機電解液(尤其是鋰離子電池電解液)易燃等缺陷，從而避免發生電解液泄漏及火災等安全事故。中國專利200910048961.9報道了基于聚丙烯酰胺凝膠電解質的碳基超級電容器及制備方法。這種超級電容器以聚丙烯酰胺凝膠為電解質，用該方法制備的超級電容器能快速充放電、窗口電壓范圍寬，具有良好的電化學電容器性能。但是，聚丙烯酰胺凝膠的制備過程復雜，需要添加交聯劑、緩沖溶液和引發劑，增加了成本。中國專利201110372216.7報道了一種混合型固態超級電容器，該超級電容器以含有H2S04的聚合物凝膠或固體電解質為隔膜，該超級電容器具有高能量密度、高功率密度、高安全性、低成本、無污染的特點。
[0004]一直以來，海石花菜膠凍作為一種食物被廣泛食用，是一種純天然綠色物質，對環境友好。另外，海石花菜凝膠具有機械強度好，有彈性，透明，相對化學穩定等優點，非常適合用于超級電容器的凝膠電解質。海石花菜凝膠制備工藝簡單，不需要添加任何交聯劑和引發劑，成本低，易于實現實現大規模生產。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對現有技術的不足，而提供一種對設備及環境要求不高的生物質基膠體電解質的制備方法以及相應的超級電容器。采用該膠體電解質組裝的超級電容器能避免電解液的泄漏，而且其中的生物質基膠體電解質有著與液態電解液幾乎接近的離子電導率。
[0006]本發明一種生物質基膠體電解質，制備方法為:該生物質基膠體電解質是以海石花菜為原料，在去離子水中熬制形成溶膠，然后和不同種類的電解液混合形成膠體電解質。
[0007]—種生物質基膠體電解質的制備方法，包括如下步驟:
[0008](1)稱取一定量的海石花菜，用去離子水沖洗干凈，然后將海石花菜在去離子水中浸泡2?5h，將水倒掉。
[0009](2)量取一定體積的去離子水倒入燒杯中，將浸泡好的海石花菜放入去離子水中，加熱至水沸騰。持續加熱一段時間使海石花菜溶解，然后將殘渣過濾掉。其中海石花菜與去離子水的質量比為1:50到1:200，持續加熱時間為2?5h。
[0010](3)將上述溶液用小火熬煮一段時間將多余的水分蒸發掉。其中小火熬煮時間為2?6h,最后熬制的凝膠凍的濃度為5?50%。
[0011 ] (4)將事先配制好的電解質水溶液倒入上述溶液中，充分攪拌使二者混合均勻，然后冷卻，放置24h形成膠體電解質。
[0012]其中電解液為酸溶液、堿溶液、鹽溶液中的一種或多種。
[0013]構成膠體電解質的酸為硫酸、鹽酸、硝酸和磷酸中的一種或多種，其濃度為0.1?3mol/L ;構成膠體電解質的堿為氫氧化鉀、氫氧化鈉中的一種或兩種，其濃度為0.1?lOmol/L;構成膠體電解質的鹽為可溶性鋰鹽、鈉鹽、鉀鹽和亞鐵氰化鉀中的一種或多種，其濃度為0.1?2mol/L。
[0014]本發明所述的采用生物質基膠體電解質組裝的超級電容器，由電極、網狀隔膜、膠體電解質、集流體、接線端子和外殼構成，該網狀隔膜位于正電極和負電極之間，將正、負電極隔開。
[0015]本發明所述的采用生物質基膠體電解質組裝的超級電容器，其制備方法包括如下步驟:
[0016](1)將正或負電極活性物質和導電劑、粘接劑、溶劑進行混合，然后采用輥壓法制成正、負極膜片；將正、負極膜片按所需尺寸進行剪切，然后再將其與泡沫鎳或不銹鋼網集流體進行壓合，得到正負極片；
[0017](2)首先將正負極片交替疊放，并用網狀隔膜將極片相互隔開，最后再用隔膜將疊放整齊的極片與隔膜從外部纏緊；
[0018](3)將步驟(2)得到的超級電容器電芯采用硬包裝或軟包裝方式進行封裝；
[0019](4)將電解質溶膠注入步驟(3)封裝好的超級電容器內，使正、負電極片上的活性物質得到電解質溶膠的充分浸潤，網狀隔膜的網孔內充滿電解質溶膠；
[0020](5)將注入電解質溶膠的超級電容器靜置一段時間，使注入的電解質溶膠完全轉變為電解質凝膠。
[0021]本發明所述采用生物質基膠體電解質組裝的超級電容器，其特征在于:用作正、負電極活性物質的碳基材料為活性炭、有序介孔炭、碳氣凝膠、碳納米管、石墨烯、石墨及其復合材料中的一種或多種。用作正、負電極活性物質的金屬氧化物為氧化釕、二氧化錳、氧化鎳、氫氧化鎳、氧化鈷、鈦酸鋰中的一種或多種。用作正、負電極活性物質的導電聚合物為聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、氨基蒽醌、氨基萘醌及其衍生物中的一種或多種。用作正、負電極活性物質的復合材料由碳基材料、金屬氧化物和導電聚合物中的兩種及兩種以上材料構成。
[0022]用于超級電容器的網狀隔膜為玻璃纖維網、尼龍絲網、聚酯絲網、蠶絲網、棉絲網中的一種；網孔目數為5?1500目。
[0023]所述的導電劑為:乙炔黑、導電炭黑和石墨粉中的一種或兩種及兩種以上的混合物。
[0024]所述的粘接劑為:丁苯橡膠和羧甲基纖維素鈉鹽、聚乙醇縮丁醛中的一種或或兩種及兩種以上的混合物。
[0025]所述的溶劑為:水、乙醇和正丁醇中的一種或兩種及兩種以上的混合物。
[0026]采用本發明的方法制作的生物質基膠體電解質和相應的超級電容器具有如下技術優勢:
[0027]第一，采用海石花菜作為原料，來源廣泛，價格便宜。另外，在制備過程中不需要交聯劑和引發劑就能形成凝膠凍，能夠節約成本。而且本發明的方法制備的生物質基膠體電解質有著與液態電解液幾乎接近的離子電導率。
[0028]第二，采用該發明組裝的生物質基膠體電解質超級電容器不但具有液體電解質超級電容器所不能比擬的安全性，而且具有很高的倍率性能(即大電流充放電的能力)以及封裝形式多樣的優點。該體系超級電容器具有內阻低和功率密度高的優點。
[0029]此外，本發明對設備和環境的要求較低，操作簡單，易于實現大規模工業化生產。
【附圖說明】
[0030]圖1為實施例1所制備的生物質基膠體電解質超級電容器在不同電流密度下的充放電曲線；
[0031]圖2為實施例1所制備的生物質基膠體電解質超級電容器的交流阻抗譜圖；
[0032]圖3為實施例2所制備的生物質基膠體電解質超級電容器在不同電流密度下的充放電曲線；
[0033]圖4為實施例2所制備的生物質基膠體電解質超級電容器的交流阻抗譜圖；
[0034]圖5為實施例3所制備的生物質基膠體電解質超級電容器在不同電流密度下的充放電曲線；