水系钌基复合金属氧化物超级电容器制造技术

一种高能量密度的水系钌基复合金属氧化物超级电容器，属于化学电源技术领域。其特征在于：电极材料为纳米级钌基二元复合金属氧化物Ｒｕ↓［ｘ］Ｍ↓［１－ｘ］Ｏ↓［２－ｙ］.ｎＨ↓［２］Ｏ，其中ｘ＜１；ｙ≤２，Ｍ表示掺杂金属元素，Ｍ为Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｉｎ中任意一种，电解液为碱性溶液。该超级电容器是具有高比能量密度的水系超级电容器，它同时获得了较高容量和宽工作窗口。从而，很大程度上改善了电容器的能量密度特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术专利涉及一种基于RuxM(M＝Co，Ni，Ti，V，Cr，In)1-xO2-y·nH2O电极材料具有高能量密度的水系超级电容器，属于化学电源

技术介绍
超级电容器又称超大容量电容器或电化学电容器，它是一种介于传统静电容器和电池之间的新型储能元件。超级电容器存储的能量可达到静电容器的10倍以上，同时又具有比电池高出10到100倍的功率密度，可瞬间释放特大电流，具有充电效率高、低温性能优越、循环使用寿命长以及无记忆效应等特点，超级电容器不仅在电动汽车上具有潜在的应用价值，而且它作为备用电源、独立电源在通信、工业等领域广泛应用，作为高脉冲电流发生器也将在航空航天、国防等方面发挥重要作用。电化学电容器的研究正在成为人们的热点之一。超级电容器的缺点之一是能量密度低，从而限制了它的实际应用。因此，改善超级电容器的比能量密度性能将是今后科研人员的首要任务。一般认为，对于一个超级电容器而言，根据公式E＝1/2CV2，其能量密度(E)与其电极材料的电容值(C)和其工作窗口(V)的平方成正比关系。所以，要想真正地提高其比能量密度，可以从提高其电极材料的比容量和拓展其工作窗口两方面加于着手。鉴于其能量密度和工作窗口的指数关系，提高其工作窗口显得优为重要。通常的水系电容器的工作窗口都比较小，V.Khomenko，E.Raymundo-，E.Frackowiak，F.Béguin，Appl.Phys.A 82(2006)567-573报道了水系基于MnO2，PPy，PANI，PEDOT，Carbon Maxsorb电极材料的超级电容器的工作窗口分别为0.6，0.6，0.5，0.6，0.7V。V.Ganesh，S.Pitchumani，V.Lakshminarayanan，J.PowerSources 158(2006)1523-1532报道了基于多孔镍和多孔氧化镍电极材料的电化学电容器，其工作窗口均为1.0V。T.Cottimeau，M.Toupin，T.Delahaye，T.Brousse，D.Bélanger，Appl.Phys.A 82(2006)599-606也报道了Fe3O4超级电容器的工作窗口仅为0.6V。Y.G.Wang，X.G.Zhang，49(2004)1957-1962报道了基于高容量电-->极材料RuO2的超级电容器的工作窗口也只有0.8V。一般地，在要想获得较大工作窗口的体系，通常选用电容值较低的碳材料为电极材料，以有毒的有机溶剂(P.Pengl，T.R.Jow，J.Electrochem.Soc.144(1997)2417-2420)或者昂贵的无溶剂的离子液体(A.Balducci，R.Dugas，S.Passerini，et.al，J.Power Sources 165(2007)922-927)为电解质。但是，从实际应用的角度来看，最佳的选择就是选择一种基于高容量特殊电极材料的、具有较宽工作窗口的水系电化学电容器。J.P.Zheng，J.Huang，T.R.Jow，J.Electrochem.Soc.144(1997)2026-2031报道优良的超级电容器电极材料二氧化钌的单电极比容量可以达到720-760F/g。但是窄的工作窗口及昂贵的价格限制了其实际应用。所以，如何在减少钌的使用量的情况下，保持其大的电容值，并且通过掺杂某些金属来拓宽其工作窗口，这成为解决水系超级电容器比能量密度低的一种较为理想的方法，因为，如果一旦选择到这样的电极材料，就可以同时获得高容量、宽窗口的优势。这势必可以很大程度上提高水系超级电容器比能量密度的特性。钌钴(镍、钒、铬)复合金属氧化物(N.，S.Trasatti，J.Electrochem.Soc.142(1995)2675-268；P.Femando，I.Joaquin，R.M.Jose，Electrochim.Acta 51(2006)4693-4700；C.Z.Yuan，B.Gao，X.G Zhang，J.Power Sources，(2007)，doi：10.1016/j.j powsour.2007.04.034；B.Gao，X.G.Zhang，C.Z.Yuan，Electrochim.Acta 52(2006)1028-1032.)在碱性体系中的单电极的性能已有报道，但是组成的电容器的性能研究尚未报道。钌钛复合金属氧化物(K.H.Chang，C.C.Hu，Electrochim.Acta，52(2006)1749-1757)虽也有报道，但只是在酸性电解质中单电极的电化学性能。碱性体系中的单电极和组成的模拟电容器的性能也未报道。钌铟复合金属氧化物的电化学性能(无论在碱性还是酸性电解质中)尚未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有高比能量密度的水系超级电容器，它同时获得了较高容量和宽工作窗口。从而，很大程度上改善了电容器的比电容特性。一种高能量密度的水系钌基复合金属氧化物超级电容器，其特征在于：电-->极材料为纳米级钌基二元复合金属氧化物RuxM1-xO2-y·nH2O，其中x＜1；y≤2，M表示掺杂金属元素，M为Co，Ni，Ti，V，Cr，In中任意一种，电解液为碱性溶液。采用本专利技术制备的水系电化学电容器克服了以往水系超级电容器的缺点，取得了如下的专利技术成果：(1)RuxM(M＝Co，Ni，Ti，V，Cr，In)1-xO2-y·nH2O2的比电容在减少Ru用量的情况下，在碱性体系中仍然保持了较高的数值；(2)基于RuxM(M＝Co，Ni，Ti，V，Cr，In)1-xO2-y·nH2O电极材料的电化学电容器在KOH碱性水体系里获得了较大的电化学工作窗口(1.2，1.4甚至1.5V)，突破了水系电容器1.0V的极限，可以很大程度上改善了水系电容器比能量密度特性；(3)基于RuxM(M＝Co，Ni，Ti，V，Cr，In)1-xO2-y·nH2O电极材料的电化学电容器在碱性体系里经过2000次的循环扫描，电容衰减在10％左右。显示出其良好的循环稳定性。附图说明图1.Ru0.3Co0.7O2-y·nH2O(a)，Ru0.4Ni0.6O2-y·nH2O(b)，Ru0.5Ti0.5O2·nH2O(c)，Ru0.5In0.5O2-y·nH2O(d)，Ru0.36V0.64O2·nH2O(e)和Ru0.45Cr0.55O2·nH2O(f)的XRD谱图。图2.Ru0.3Co0.7O2-y·nH2O(a)，Ru0.4Ni0.6O2·nH2O(b)，Ru0.5Ti0.5O2·nH2O(c)，Ru0.5In0.5O2-y·nH2O(d)，Ru0.36V0.64O2-y·nH2O(e)和Ru0.45Cr0.55O2·nH2O(f)的循环伏安曲线(10mV/s)。图3.基于Ru0.3Co0.7O2-y·nH2O(a)，Ru0.4Ni0.6O2·nH2O(b)，Ru0.5Ti0.5O2·nH2O(c)，Ru0.5In0.5O2-y·nH2O(d)，Ru0.36V0.64O2-y·nH2O(e)和Ru0.45Cr0.55O2·nH2O(f)电极材料的电容器在不同扫描圈数下的循环伏安曲线(10mV/s)。具体实施方式以下通过实例讲述本专利技术的详细本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高能量密度的水系钌基复合金属氧化物超级电容器，其特征在于：电极材料为纳米级钌基二元复合金属氧化物Ｒｕ↓［ｘ］Ｍ↓［１－ｘ］Ｏ↓［２－ｙ］.ｎＨ↓［２］Ｏ，其中ｘ＜１；ｙ≤２，Ｍ表示掺杂金属元素，Ｍ为Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｉｎ中任意一种，电解液为碱性溶液。

【技术特征摘要】
1.一种高能量密度的水系钌基复合金属氧化物超级电容器，其特征在于：电极材料为纳米级钌基二元复合金属氧化物RuxM1-xO2-y·nH2O，其中x＜1；y≤2，M表示掺杂金属元素，M为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张校刚，原长洲，高博，刘洋，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]