高能量密度纳米介电层碳纳米管电容器研究

由于电容中离子导体分解电压的限制，使得超级电容器（电化学电容）的工作电压较低.所以尽管其具有较高的电容量，其能量密度与电池相比要低得多，不适应电能储存的需求。本课题设想以具有高介电常数的介电材料取代了传统超级电容器中的双电层，在保持传统超级电容器较高电容量性能的情况下，提高电容的工作电压，从而使电容的能量密度大幅提高。我们采用这种思路制作的电容器电容量达26.5F/g，电容工作电压达到10V，电容的能量密度达到1328Wh/kg。在前期研究的基础上，本研究以用碳纳米管为基体，以Al2O3为介电材料，设计不同结构的电容器。在前期研究基础上进一步完善高能量密度电容器的制备方法，从多种技术路径探索在碳纳米管表面涂敷介电材料层的方法，了解不同方法对涂层结构的影响。研究涂层结构、电容结构方式对最终电容性能的影响规律。

与传统电容器相比，超级电容器高的电容量。但是一般超级电容器的电压降主要由存在于电解液和电极材料界面上的双电层承担。由于电容中离子导体分解电压的限制，使得超级电容器（电化学电容）的工作电压较低，一般不超过4V。所以尽管超级电容器具有较高的电容量，其能量密度与电池相比要低得多，不适应电能储存的需求。本课题设想以具有高介电常数的介电材料取代了传统超级电容器中的双电层，在保持传统超级电容器较高电容量性能的情况下，提高电容的工作电压，从而使电容的能量密度大幅提高。课题的主体工作是以碳纳米管为基体，在碳纳米管上沉积Al2O3介电层，制作电容器并测试其性能。1）首先采用电泳法将碳纳米管沉积在金属基板上，然后采用水热法、溶胶凝胶法在碳纳米管金属基板上沉积Al2O3介电层。实验结果表面这两种方法可以获得Al2O3介电层，但是与碳纳米管的结合，涂层的致密性上有一些问题。2）采用碳纳米管、Al2O3电泳轮镀的方法，获得碳纳米管/ Al2O3复合电极，以Al2O3为介质层，制备了电容器。采用这种思路制作的电容器电容的能量密度达到可以达到10V以上，其能量密度为1400Wh/kg，远高于水电解液体系超级电容器。3)对于碳纳米管/ Al2O3复合电极，将介质换为电解液后，电容工作电压与传统超级电容器相近。4）通过电泳法碳纳米管/ Al2O3复合电极可以获得高能量密度的电容器，但是操作方法复杂。本课题探索了引入纳米介电层的简化方案。以阳极氧化来获得Al2O3介质层。以碳纳米管为基板采用磁控溅射沉积Al来进行阳极氧化，很难在碳纳米管表明完全覆盖Al，从而限制电容工作电压。5）本课题的主要想法是利用碳纳米管的高比表面积，而Al2O3与碳纳米管间的界面问题对于电容的性能有影响。如果采用具有高比表面积的多孔Al为基体，以它为基体进行阳极氧化。这样既可以利用材料的高比表面积，介电层厚度可控，而且介电层与基体结合良好。根据课题前期探索，以多孔聚氨酯为基体，在其上采用磁控溅射方法沉积Al，然后将聚氨酯在高温下分解，从而得到多孔铝。这种方法获得的多孔Al机械强度不高，未来的工作在于如何获得强度高的多孔Al。