[發明專利]一種超級電容器用多孔炭電極材料的制備方法

無效

• 申請號: 200910043228.8
• 申請日: 2009-04-28
• 公開（公告）號: CN101531358A
• 公開（公告）日: 2009-09-16
• 發明（設計）人: 侯朝輝;何斌鴻;周寧波;閻建輝;唐課文;易健民;王國祥;丁宏亮
• 申請（專利權）人: 湖南理工學院;岳陽市馳瑞電子科技有限公司
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;H01G9/058;H01G9/042
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所屬領域：

本發明屬于多孔炭材料制備領域。具體涉及一種超級電容器用多孔炭電極 材料的制備方法。

背景技術：

超級電容器是一種儲能性能介于傳統電容器和二次電池之間的新型儲能裝 置，具有比二次電池更高的功率密度，比傳統電容器更高的能量密度，在短時 高功率放電工作狀況下有著二次電池和傳統電容器無法比擬的優勢。超級電容 器在重要電子系統的過渡供電，尤其是作為電動汽車的啟動制動電源、微波武 器和激光武器的超大脈沖功率發射電源等方面有著突出的應用前景。

超級電容器具有與電池類似的結構，主要由電解液和電極材料構成。電極 材料是影響其性能的重要因素。目前，實現民用商品化電極材料的主要是活性 炭和活性炭纖維。一般活性炭在水性電解液體系中的比電容在150F/g以下，能 量密度小于3Wh/Kg。

超級電容器作為一種功率應用產品，大電流充放電能力是衡量其性能好壞 的關鍵因素。目前商品化超級電容器隨著充放電電流密度提高，電容器的能量 密度大幅下降，比能量-比功率性能欠佳，限制了它的進一步推廣。造成這種現 象的主要原因一是超級電容器采用常規活性炭作為電極材料，活性炭材料的孔 道窄且彎曲，限制了電解質離子在其內部的擴散遷移，導致大電流充放電時電 解質離子來不及在電極的大部分表面上形成雙電層儲存電荷，只有少部分較大 孔徑孔隙的表面得到利用，從而造成電容器的能量密度下降。另一方面，活性 炭內部孔隙孔徑越小，孔隙內電解液電阻越大，電容器的內阻越大，電容器儲 存電荷時需要消耗能量克服內阻，導致電容器充放電效率和能量密度降低。

理論上，炭材料的比表面積越大，其形成雙電層儲存電荷的比電容越高， 但形成雙電層對炭材料的孔隙孔徑大小有一定的要求。同時，炭材料的孔徑分 布是影響電容器內阻的因素之一，炭材料的孔徑越大，其比表面積越小。炭材 料比表面積超過2500m²/g時，其孔隙主要呈難以形成雙電層的微孔分布。因此， 要使炭基超級電容器在大電流密度充放電條件下具有優良的比能量-比功率性 能，必須優化炭材料的比表面積和孔徑分布的關系。

如授權專利“一種介孔碳材料的制備方法”(專利號2006100223663.0)公 布了一種利用表面活性劑自組裝的溶膠凝膠反應體系制備高比表面積介孔炭材 料技術，制備的炭材料比表面積達2400m²/g，平均孔徑達8nm，水性電解液中的 比電容在120-200F/g之間，有機電解液中的比電容在90-130F/g。公開專利“大 倍率充放電性能超級電容器的多孔炭電極制備方法”(專利申請號 200810053475.1)公布了一種采用模板炭化法制備適用于大倍率充放電性能超 級電容器的多孔炭材料制備技術，這種炭材料制備的電極在水性電解液中，以 24A/g的電流密度工作時，比電容仍可達110F/g，功率密度達12KW/Kg。這種方 法的缺陷是在制備炭材料過程中需要去除無機模板，代價高昂。

可見，采用適當的方法對超級電容器電極炭材料的孔隙結構進行控制，可 達到改善其比能量-比功率性能的目的。

發明內容：

本發明旨在提供一種比能量-比功率性能優異的超級電容器電極炭材料制 備方法。采用該方法制備的炭材料適合應用于高功率密度工作的超級電容器。

本發明提供的方法的制備步驟如下：

控制間苯二酚等苯酚類化合物與總用水量的質量比為1:(5～20)。先將間苯 二酚等苯酚類化合物和甲醛按摩爾比1:2溶于少量蒸餾水，按與間苯二酚等苯酚 類化合物的摩爾比為1:(25～200)的比例添加催化劑。上述溶液在一定溫度下 充分反應，并脫水干燥后可制得無孔酚醛干凝膠。按照與酚醛干凝膠理論產量的 質量比為(1～8):1的范圍，稱量聚乙二醇，并將其溶于剩余量的蒸餾水中。將 兩種溶液混合，攪拌0.5～12小時后，注入水熱反應釜中，50～70℃放置72小 時，再60～90℃放置96小時，得到暗紅色透明膠體。膠體充分干燥，管式爐中 氮氣保護，在700～1000℃溫度下炭化1～4小時，得到所需產品。

本發明所用的合成炭前驅體聚合物的苯酚類單體包括間苯二酚、間甲酚、混 甲酚等。

本發明中用到的催化劑為碳酸鈉、氫氧化鈉、氫氧化鉀等。

本發明中使用的聚乙二醇的分子量在400～20000之間。