一种具有高电容的水泥基电极超级电容器及其制备方法

本发明涉及超级电容器，尤其涉及一种具有高电容的水泥基电极超级电容器及其制备方法。

背景技术：

1、水泥基超级电容器基本都是以水泥基材料为电解质的超级电容器，国际上仅在去年下半年发表一篇sci学术论文(carbon–cement supercapacitors as a scalable bulkenergy storage solution)，提出了一种将电能储存在水泥中的新方案—基于廉价、容易获得的水泥、水和炭黑的炭-水泥超级电容器。但该超级电容器存在电容不高的问题，比电容最高仅几个法拉f。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明通过分别调控正负电极材料，实现电极材料对正负电荷吸附能力的提升，从而提高电极的电荷储存容量上限。

2、本发明的目的之一在于提供一种具有高电容的水泥基电极超级电容器。

3、本发明的目的之二在于提供一种该具有高电容的水泥基电极超级电容器的制备方法。

4、为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

5、第一方面，本发明提供了一种具有高电容的水泥基电极超级电容器，包括浸有电解液的正极和负极，其中所述正极通过以下方法制备得到：

6、将导电炭黑、水泥、磷酸二氢钾和氢氧化钙混合搅拌得到干混合物，并加入水和减水剂，倒入模具中振捣，硬化脱模后放置在标准养护环境中进行养护，切割，得到正极；

7、所述负极通过以下方法制备得到：

8、将导电炭黑、水泥和矿渣混合搅拌得到干混合物，并加入水和减水剂，倒入模具中振捣，硬化脱模后放置在标准养护环境中进行养护，切割；将养护后的负极放置在氯化铵水溶液中浸泡脱钙，清洗后得到负极。

9、下面进行详细说明：

10、正极制备：

11、导电炭黑可以为选自乙炔黑、sp、科琴黑中的一种或几种，导电炭黑的比表面积为50m2/g-1200m2/g；

12、水泥可以为选自硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥中的一种或几种。水泥强度等级可以为425、625、325、525等，不做特别限制。

13、在一些实施方式中，导电炭黑质量占水泥和磷酸二氢钾总质量的8％～13％；

14、在一些实施方式中，磷酸二氢钾质量占水泥和磷酸二氢钾总质量的5％～20％。

15、在一些实施方式中，氢氧化钙质量占水泥和磷酸二氢钾总质量的5％～10％。

16、减水剂可以为聚羧酸高效减水剂。

17、在一些实施方式中，水灰比为0.8～1.6，减水剂质量占水质量的0.2％～0.5％。

18、在一些实施方式中，养护温度为20±2℃，相对湿度控制在95％以上。

19、在一些实施方式中，切割为厚度1-20mm的薄片，切割后单面抛光，得到正极。

20、正极制备机理：磷酸二氢钾中富含活性p元素，将溶于反应环境，可在主要水化产物中替代si原子，该替代过程导致局部正电荷增加，有益于阴离子的吸附；氢氧化钙ζ电位为正，具有吸附阴离子的倾向。

21、负极制备：

22、导电炭黑可以为选自乙炔黑、sp、科琴黑中的一种或几种，导电炭黑的比表面积为50m2/g-1200m2/g；

23、水泥可以为选自硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥中的一种或几种。水泥强度等级可以为425、625、325、525等，不做特别限制。

24、矿渣可以为高炉矿粉(s105等级)、煤粉灰(一级灰)或偏高岭土，平均粒径为0.1μm～100μm。

25、在一些实施方式中，导电炭黑质量占水泥和矿渣总质量的8％～13％；

26、在一些实施方式中，矿渣质量占水泥和矿渣总质量的4％～40％；高炉矿粉可占5％～40％；粉煤灰或偏高岭土可占5％～20％。

27、减水剂可以为聚羧酸高效减水剂。

28、在一些实施方式中，水灰比为0.8～1.6，减水剂质量占水质量的0.2％～0.5％。

29、在一些实施方式中，养护温度为20±2℃，相对湿度控制在95％以上。

30、在一些实施方式中，切割为厚度1-20mm的薄片。

31、在一些实施方式中，氯化铵水溶液的浓度为0.5～1.5mol/l；浸泡时间为10min～24h。

32、控制溶液浓度与浸泡时间来控制脱钙程度，脱钙结束后经过多次清洗将溶液清洗干净。

33、负极制备机理：矿渣富含活性al元素，掺入水泥水化中，证实可在强碱性环境下发生解聚溶解，参与水泥水化反应，可在主要水化产物中替代si原子，该替代过程导致局部正电荷降低，有益于阳离子的吸附；然后，进行脱钙处理，进一步大幅降低电极中阳离子的既有存量，提升新的可吸附量，此外矿渣中al相的替代强化了主要水化产物分子骨架结构，增加化学稳定性，抑制脱钙所导致的水化产物化学反应响应(例如：硅链羟基化或硅链聚合以中和ca离子流失的电荷)。

34、在一些实施方式中，电解液为100mmol/l～1.5mol/l的氢氧化钾水溶液。

35、在一些实施方式中，具有高电容的水泥基电极超级电容器还包括正极和负极之间的玻璃纤维膜，以及正极和负极表面的导电石墨纸。玻璃纤维膜厚度为0.1-1mm；玻璃纤维膜也预先浸有电解液。

36、第二方面，本发明提供了一种上述具有高电容的水泥基电极超级电容器的制备方法，包括如下步骤：

37、正极制备：将导电炭黑、水泥、磷酸二氢钾和氢氧化钙混合搅拌得到干混合物，并加入水和减水剂，倒入模具中振捣，硬化脱模后放置在标准养护环境中进行养护，切割，得到正极；

38、负极制备：将导电炭黑、水泥和矿渣混合搅拌得到干混合物，并加入水和减水剂，倒入模具中振捣，硬化脱模后放置在标准养护环境中进行养护，切割；将养护后的负极放置在氯化铵水溶液中浸泡脱钙，清洗后得到负极；

39、组装：将正极和负极各自分别在电解液中浸泡至饱和，与玻璃纤维膜、导电石墨纸组合，封装，得到具有高电容的水泥基电极超级电容器。

40、石墨纸覆盖在电极上，导线从导电石墨纸上接出来。

41、第二方面中各原料描述同第一方面，在此不再赘述。

42、在一些实施方式中，正极制备中，导电炭黑质量占水泥和磷酸二氢钾总质量的8％～13％；

43、在一些实施方式中，正极制备中，磷酸二氢钾质量占水泥和磷酸二氢钾总质量的5％～20％。

44、在一些实施方式中，正极制备中，氢氧化钙质量占水泥和磷酸二氢钾总质量的5％～10％。

45、在一些实施方式中，正极制备中，水灰比为0.8～1.6，减水剂质量占水质量的0.2％～0.5％。

46、在一些实施方式中，正极制备中，养护温度为20±2℃，相对湿度控制在95％以上。

47、在一些实施方式中，正极制备中，切割为厚度1-20mm的薄片，切割后单面抛光，得到正极。

48、在一些实施方式中，负极制备中，导电炭黑质量占水泥和矿渣总质量的8％～13％；

49、在一些实施方式中，负极制备中，矿渣质量占水泥和矿渣总质量的5％～40％。

50、在一些实施方式中，负极制备中，水灰比为0.8～1.6，减水剂质量占水质量的0.2％～0.5％。

51、在一些实施方式中，负极制备中，养护温度为20±2℃，相对湿度控制在95％以上。

52、在一些实施方式中，负极制备中，切割为厚度1-20mm的薄片。

53、在一些实施方式中，负极制备中，氯化铵水溶液的浓度为0.5～1.5mol/l；浸泡时间为10min～24h。

54、在一些实施方式中，电解液为100mmol/l～1.5mol/l的氢氧化钾水溶液；玻璃纤维膜厚度为0.1-1mm；导电石墨纸厚度为0.1-1mm；用封装装置对组合好的电容器施加预应力，使其贴合紧密。

55、有益效果

56、本发明通过分别调控正负电极材料，实现电极材料对正负电荷吸附能力的提升，从而提高电极的电荷储存容量上限。提升超级电容器电容3倍以上。

57、在上文中已经详细地描述了本发明，但是上述实施方式本质上仅是例示性，且并不欲限制本发明。此外，本文并不受前述现有技术或技术实现要素：或以下实施例中所描述的任何理论的限制。