專利名稱：基于一維金屬/碳納米管同軸異質(zhì)結(jié)的超級電容的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及納米技術(shù)及能源存儲(chǔ)領(lǐng)域，具體涉及一種基于一維金屬/碳納米管同軸異質(zhì)結(jié)的超級電容。
背景技術(shù)：
能源的儲(chǔ)存是能源利用中的一個(gè)重要問題，超級電容的出現(xiàn)使電容器的極限容量驟然上升了 3-4個(gè)數(shù)量級，達(dá)到了近1000F/g的大容量。它是一種介于電池與傳統(tǒng)電容器之間的新型高功率儲(chǔ)能器件，比電池具有更大的功率密度，比傳統(tǒng)電容器具有更高的能量密度，且具有可瞬間釋放超大電流，充放電效率高，循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)。因此，超級電容器在移動(dòng)通信、信息技術(shù)、航空航天和國防科技等方面具有極其重要和廣闊的應(yīng)用前景。更高能量密度超級電容器的發(fā)展研究是實(shí)現(xiàn)其在這些領(lǐng)域應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。超級電容器的性能主要由電極的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能決定，所以對超級電容的研究相當(dāng)一部分集中在電極材料方面。對于超級電容器，金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物和碳材料作為超級電容器的電極材料被廣泛研究，其中金屬氧化物有很好的性能表現(xiàn)但是價(jià)格昂貴，導(dǎo)電聚合物較便宜但循環(huán)使用性差，多孔的碳材料有很大的比表面積但是較低的電導(dǎo)性大大限制能量密度的提高。碳納米管滿足理想電容器電極材料的所有要求，即結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比表面大、微孔集中在一定范圍內(nèi)。盡管如此，以碳納米管做電容器電極的研究實(shí)驗(yàn)并沒有得到理想的結(jié)果，其中關(guān)鍵的問題就是碳納米管電極與集流體間的連接阻抗太高而得不到高能量密度的電容器。為了解決該問題，Ajiayan課題組開發(fā)了金/碳納米管沿長度方向的納米異質(zhì)結(jié)，發(fā)現(xiàn)可以得到極高能量存儲(chǔ)密度的電容器(Shaijumon M. M., et al. , Chem. Commun, 2008: 2373 2375)。但是，這種異質(zhì)結(jié)只是金與碳納米管之間點(diǎn)接觸，如果改變金屬與碳納米管的接觸方式，那么兩者之間的連接阻抗仍具有進(jìn)一步降低的可能性，從而能夠得到更大的充放電電流密度，有效地縮短充放電時(shí)間。由于填充有金屬的碳納米管具有良好的電性能和磁性能，并且金屬也能被外層碳納米管保護(hù)使之不易被外部環(huán)境所氧化，因而具有良好的應(yīng)用前景。但目前還沒有解決如何能夠簡單而有效地得到金屬填充率高并且高度有序的碳納米管陣列的問題，因而也沒有將金屬填充率極高并且高度有序的碳納米管陣列用作超級電容器的應(yīng)用報(bào)道。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于一維金屬/碳納米管同軸異質(zhì)結(jié)的超級電容，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，減小了因金屬與碳納米管之間接觸不良或因?yàn)檠剌S向形成的金屬/碳納米管異質(zhì)結(jié)(金屬/碳納米管軸向異質(zhì)結(jié))中金屬與碳納米管之間由于只是點(diǎn)接觸而導(dǎo)致較大的接觸電阻的問題，能夠增大金屬與碳納米管之間的接觸面積，進(jìn)一步降低金屬與碳納米管之間的接觸電阻，從而獲得更大的充放電電流密度，縮短充放電時(shí)間。本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案[0008]一種基于一維金屬/碳納米管同軸異質(zhì)結(jié)的超級電容，其中，包括銀膜、金屬納米線、碳納米管、隔離物和電解液層，所述碳納米管和金屬納米線組成同軸異質(zhì)結(jié)，在同軸異質(zhì)結(jié)沉積有金屬納米線的一端設(shè)置銀膜；兩組帶銀膜的同軸異質(zhì)結(jié)相對設(shè)置，有銀膜一側(cè)向外，兩組帶銀膜的同軸異質(zhì)結(jié)間設(shè)置隔離物；在所述兩組帶銀膜的同軸異質(zhì)結(jié)間填充電解液層。 進(jìn)一步，所述隔離物為玻璃纖維紙或多孔絕緣薄膜。進(jìn)一步，所述每組同軸異質(zhì)結(jié)含兩個(gè)以上的同軸異質(zhì)結(jié)。本實(shí)用新型的有益效果為本實(shí)用新型由于金屬在碳納米管中的填充，能夠有效地降低金屬與碳納米管的不良接觸，將金屬/碳納米管軸向異質(zhì)結(jié)中金屬與碳納米管之間的點(diǎn)接觸改變?yōu)槊娼佑|，從而有效地減少作為電容電極的碳納米管與作為集電極的金屬納米線之間的接觸阻抗，提高該碳納米管超級電容器的充放電電流密度，縮短電容器充放電時(shí)間，提高能量存儲(chǔ)密度。通過控制金屬納米線生長時(shí)間的長短可以控制電容電極與集電極之間的接觸面積，調(diào)控兩者之間的電阻，進(jìn)而調(diào)控電容器充放電電流密度及充放電時(shí)間。同時(shí)，調(diào)節(jié)金屬納米線生長之后的模板擴(kuò)孔時(shí)間(調(diào)節(jié)金屬納米線與模板之間的間隙的大小而調(diào)節(jié)碳納米管的壁厚)，可調(diào)節(jié)超級電容器的一系列電容特性參數(shù)。通過控制作為電極的沒有填充金屬的碳納米管與填充了金屬的金屬/碳納米管同軸異質(zhì)結(jié)的比例，而改變超級電容器的電容特性。實(shí)用新型的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述， 并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本實(shí)用新型的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本實(shí)用新型的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。


圖1是本實(shí)用新型的制作步驟示意圖；圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述如圖2所示，本實(shí)用新型包括金屬納米線3、碳納米管4、銀膜5、隔離物6和電解液層，碳納米管4和金屬納米線3組成同軸異質(zhì)結(jié)，銀膜5設(shè)置在同軸異質(zhì)結(jié)金屬納米線3的一端；兩組帶銀膜5的同軸異質(zhì)結(jié)相對設(shè)置，有銀膜5的一側(cè)向外，兩組帶銀膜5的同軸異質(zhì)結(jié)間設(shè)置隔離物6，形成一種三明治結(jié)構(gòu)，將該結(jié)構(gòu)放入電解液7中，在兩組帶銀膜的同軸異質(zhì)結(jié)間形成電解液層。每組同軸異質(zhì)結(jié)含兩個(gè)以上的同軸異質(zhì)結(jié)。如圖1所示，本實(shí)用新型的制作步驟如下(1)在通孔的陽極氧化鋁模板1的一面鍍上一層銀膜2，使用電化學(xué)沉積在陽極氧化鋁模板1孔洞中沉積金屬納米線3 (如金、銀、鉬貴金屬，鎳等過渡金屬)；漂洗并干燥；(2)使用低濃度酸堿對(1)中陽極氧化鋁模板1進(jìn)行擴(kuò)孔，漂洗并干燥；(3)使用(2)中已經(jīng)擴(kuò)孔的陽極氧化鋁模板1應(yīng)用化學(xué)氣相沉積(CVD)生長碳納米管4，由此獲得納米同軸異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；(4)將陽極氧化鋁模板1沉積金屬納米線3的一面，再次沉積銀膜5，金屬納米線 3和銀膜5共同成為集電極；[0025](5)使用對Al2O3有較強(qiáng)腐蝕能力的酸或堿的溶液溶解陽極氧化鋁模板1 ；(6)使用以上獲得的一維納米同軸異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)建超級電容器取兩個(gè)上述電極相對放置，有銀膜5 —面朝外，兩電極之間使用多孔絕緣薄膜為隔離物6，形成一種三明治結(jié)構(gòu)，將該結(jié)構(gòu)放入含水電解液7中，即得到本實(shí)用新型。如圖1、圖2所示，本實(shí)用新型的具體制作過程為將已經(jīng)通孔的陽極氧化鋁模板 1的一面使用磁控濺射鍍膜機(jī)鍍上一層銀膜2，作為電化學(xué)沉積的電極。選擇銀膜2是因?yàn)殂y的電導(dǎo)率較大。以上述陽極氧化鋁模板1為陰極，銀單質(zhì)片為陽極，使用電化學(xué)沉積在陽極氧化鋁模板1孔洞中沉積銀納米線3。電鍍液的成分為=ISgi1C6H8CVH2CMgi1AgNO3, ZOg^r1MgSO4，沉積電壓為0. 4V，沉積時(shí)間15min，取出后使用去離子水漂洗干凈并烘干。使用溫度為50°C，體積比為5%的磷酸溶液對已沉積有銀納米線3的陽極氧化鋁模板1進(jìn)行擴(kuò)孔將上一步得到的陽極氧化鋁模板1放入上述磷酸溶液中浸泡15分鐘，取出后使用去離子水漂洗干凈并烘干。將上述已處理的陽極氧化鋁模板1放入管式高溫爐，以90sCCm氬氣為保護(hù)氣， IOsccm乙炔為碳源，溫度為650°C，保溫時(shí)間為2小時(shí)，使用化學(xué)氣相沉積生長碳納米管4。將陽極氧化鋁模板1沉積銀納米線3的一面，沉積銀膜5，銀納米線3和銀膜5共同成為集電極。使用溫度為50°C，濃度為5mol/L的NaOH溶液腐蝕上述模板，得到納米陣列，該納米陣列與銀膜5連接在一起，既能保證銀納米線3和銀膜5形成集電極，又能保證納米同軸異質(zhì)結(jié)定向排列和集電極的強(qiáng)度。如圖2所示，使用得到的銀納米線/碳納米管同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建超級電容器取兩個(gè)上述電極相對放置，有銀膜5—面朝外，兩電極之間使用玻璃纖維紙為隔離物6，形成一種三明治結(jié)構(gòu)，將該結(jié)構(gòu)放入6mol/L的硫酸電解液7中。最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本實(shí)用新型的技術(shù)方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種基于一維金屬/碳納米管同軸異質(zhì)結(jié)的超級電容，其特征在于包括銀膜、金屬納米線、碳納米管、隔離物和電解液層，所述碳納米管和金屬納米線組成同軸異質(zhì)結(jié)，在沉積有金屬納米線的一端設(shè)置銀膜；兩組帶銀膜的同軸異質(zhì)結(jié)相對設(shè)置，有銀膜一側(cè)向外，兩組帶銀膜的同軸異質(zhì)結(jié)間設(shè)置隔離物；在所述兩組帶銀膜的同軸異質(zhì)結(jié)間填充電解液層。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于一維金屬/碳納米管同軸異質(zhì)結(jié)的超級電容，其特征在于所述隔離物為玻璃纖維紙或多孔絕緣薄膜。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于一維金屬/碳納米管同軸異質(zhì)結(jié)的超級電容，其特征在于所述每組同軸異質(zhì)結(jié)含兩個(gè)以上的同軸異質(zhì)結(jié)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于一維金屬/碳納米管同軸異質(zhì)結(jié)的超級電容，其中，包括銀膜、金屬納米線、碳納米管、隔離物和電解液層，所述碳納米管和金屬納米線組成一維同軸異質(zhì)結(jié)，在此同軸異質(zhì)結(jié)沉積有金屬納米線的一端設(shè)置銀膜；兩組帶銀膜的同軸異質(zhì)結(jié)相對設(shè)置，有銀膜一側(cè)向外，兩組帶銀膜的同軸異質(zhì)結(jié)間設(shè)置隔離物；在所述兩組帶銀膜的同軸異質(zhì)結(jié)間填充電解液層。本實(shí)用新型能夠增大金屬與碳納米管之間的接觸面積，進(jìn)一步降低金屬與碳納米管之間的接觸電阻，從而獲得更大的充放電電流密度，縮短充放電時(shí)間。
文檔編號H01G9/04GK202067674SQ20112019723
公開日2011年12月7日 申請日期2011年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月13日
發(fā)明者張迎九, 王瑞麗, 米振宇, 金亮亮, 陳厚尊, 黃迪 申請人:鄭州大學(xué)