[發明專利]采用靜電紡絲法制備珠鏈狀PAN基碳纖維電極材料的方法

無效

• 申請號: 201210001973.8
• 申請日: 2012-01-05
• 公開（公告）號: CN102560889A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 金政;李博弘;田園
• 申請（專利權）人: 黑龍江大學
• 主分類號: D04H1/43
• 分類號: D04H1/43;D04H1/728;D06C7/04;D01D1/02;H01G9/042
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 韓末洙

技術領域

本發明涉及PAN基碳纖維電極材料的制備方法，特別涉及一種超級電容器用珍珠項鏈狀PAN基碳纖維氈電極材料的制備方法。

背景技術

超級電容器是一種介于蓄電池和傳統介電質電容器之間的新型的儲能元件，具有高比能量、良好的可逆性和長循環壽命，以其潛在應用于混合型或純電動汽車為背景而為人矚目。超級電容器容量的不斷提高，對電極材料儲電量的要求也越來越高。目前應用于超大容量電容器的電極材料主要有3種：碳基材料、金屬氧化物和導電聚合物。碳基材料與金屬氧化物和導電聚合物材料相比，化學穩定性好、無污染且成本較低，但其能量儲存的機理主要是靠碳表面形成的雙電層，因此比電容較低。目前用于雙電層電容器的典型的碳材料有：活性碳、碳納米管和碳氣凝膠等。

活性碳纖維是一種新型高效的多功能材料，具有比顆粒活性碳更大的比表面積、良好的孔結構、豐富的表面基團，其化學穩定性也較好，靜電紡絲法制備的纖維直徑可達納米級，有效提高了材料的比表面積。通過靜電紡絲法制備的PAN纖維可直接在接收板上形成PAN纖維氈，通過預氧化、碳化處理后形成PAN基碳纖維氈。得到的碳纖維氈本身有一定的力學強度，可以直接作為電極使用。制備的碳纖維氈也可以在其表面在涂覆其他活性材料來提高性能。因而在雙電層電容器領域得到了廣泛的關注。

發明內容

本發明的目的是為了提供采用靜電紡絲法制備珠鏈狀PAN基碳纖維電極材料的方法。

采用靜電紡絲法制備珠鏈狀PAN基碳纖維電極材料的制備方法，是通過以下步驟實現的：步驟一、將PAN、酚醛樹脂微球、DMF配置紡絲液，其中固含量為8％～15％、PAN與酚醛樹脂微球的質量比為1∶0.05～2，溶解溫度為20～70℃，溶解時間為1～7天；步驟二、采用靜電紡絲法制備PAN纖維氈，其中紡絲液流量為0.3～2ml/h，電壓為15～30kV，接受距離為10～30cm；步驟三、將步驟二得到的PAN纖維氈在空氣氣氛下進行預氧化處理，制備PAN基預氧化纖維氈，其中預氧化溫度為170～250℃，預氧化時間為2～6h；步驟四、將步驟三得到的PAN基預氧化纖維氈放入管式爐中，在氮氣氣氛下進行碳化處理，制備珍珠項鏈狀PAN基碳纖維氈電極材料，其中氮氣流量為1～4L/min，升溫速率為5～10℃/min，碳化溫度為700～1000℃，碳化時間為2～6h。

本發明采用靜電紡絲法、在紡絲液中加入酚醛樹脂微球制備出珠鏈狀PAN基碳纖維氈電極材料，該電極材料具有制備方法簡單、連續，纖維的直徑、珠鏈球徑比可控(PAN基碳纖維中纖維直徑與珠鏈球徑比為1∶1～10)。珠鏈狀結構能提高纖維的比表面積，增加纖維的氈體強度。制備出的珠鏈狀碳纖維的比電容可達(375.8F/g)，氈體強度可達1132.4MPa，比表面積可達837.5m²/g。

附圖說明

圖1是試驗一制備得到的珍珠項鏈狀PAN基碳纖維的掃描電子顯微照片。

具體實施方式

本發明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式，還包括各具體實施方式間的任意組合。

具體實施方式一：本實施方式中采用靜電紡絲法制備珠鏈狀PAN基碳纖維電極材料的方法是通過以下步驟實現的：

步驟一、在20～70℃溫度下，將聚丙烯腈(PAN)、酚醛樹脂微球和二甲基甲酰胺(DMF)溶解1～7天，得到紡絲液，紡絲液中固含量為8％～15％、PAN與酚醛樹脂微球的質量比為1∶0.05～2；

步驟二、采用靜電紡絲法制備PAN纖維氈；

步驟三、將步驟二得到的PAN纖維氈在溫度為70～250℃和空氣氣氛下進行預氧化處理2～6h，制得PAN基預氧化纖維氈；

步驟四、將步驟三得到的PAN基預氧化纖維氈放入管式爐中，以為1～4L/min流量通入氮氣，同時以5～10℃/min的速率升溫至700～1000℃，保溫進行碳化處理2～6h，即獲得珍珠項鏈狀PAN基碳纖維氈電極材料。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：步驟一中所述酚醛樹脂微球的直徑為100～5000nm。其它步驟和參數與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：步驟一所述的紡絲液中固含量為12％、PAN與酚醛樹脂微球的質量比為1∶1.2。其它步驟和參數與具體實施方式一或二相同。