[發明專利]一種用于超級電容器的碳納米電極材料的純化方法

有效

• 申請號: 201210135516.8
• 申請日: 2012-05-02
• 公開（公告）號: CN102683036A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 騫偉中;鄭超;崔超婕;余云濤;孔垂巖;趙夢強;魏飛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 薄觀玖

技術領域

本發明屬于材料純化技術領域，特別涉及一種用于超級電容器的碳納米電極材料的純化方法。

背景技術

超級電容器是一種利用電化學的電容原理來儲存電能的設備，具有功率密度高，使用壽命長等優點，可以用作不穩定電流的儲存（如風能與潮汐能），以及大型交通工具（如輪船或飛機）的備用照明電源等。但與鋰離子電池相比，超級電容器的能量密度比較低，其在交通工具與移動電子設備等方面的應用受到一定限制。

目前商業化的電極材料主要是活性碳。活性碳具有比表面積大，孔結構豐富，價廉易得等優點。但基于器件的能量密度僅有5?Wh/kg?~6?Wh/kg，不能滿足實際應用的需要。因此，目前的發展趨勢是制備性能更好的碳納米管、石墨烯、納米級的洋蔥碳及納米級的活性碳等材料來替代傳統的微米級的活性碳。同時，選用性能更加好的有機電解液或離子液體，將目前活性碳適用的2.7?V~3?V電壓升至4?V~6.5?V操作。然而，能夠放大制備碳納米管、石墨烯、納米級的洋蔥碳及納米級的活性碳等材料的方法，大多為催化的方法，使得這些碳納米管、石墨烯、納米級的洋蔥碳及納米級的活性碳等材料的初始產品中含有無機氧化物載體、金屬及其硫化物或碳化物、半導體元素及其碳化物及氮、磷或氧等官能團。這些雜質在超級電容器中不但會降低電極材料的裝填量，還會在高電壓下分解（如氮、磷或氧等官能團）或導致電解液分解。在雜質含量高時，其分解產生的氣體容易導致電容器破裂，產生安全隱患。即使在雜質含量低時，其仍然會導致電解液慢慢分解，或導致操作電壓下降。

雖然目前碳納米材料的純化方法已有報道，但當不同種碳納米材料組合使用時，其雜質種類的復雜性遠遠超出了以往單一的處理方法，并且現有的方法并不針對用于超級電容器的碳納米電極材料。超級電容器中所使用的碳納米電極材料具有大的比表面積、低金屬含量、高導電性、合適的孔徑分布與適中的堆積密度。而現有方法經常會損失電極材料的比表面積、使材料團聚、孔徑變小及堆積密度變大。同時，能夠保證電極材料堆積密度，孔徑或比表面積的方法，又不能徹底地去除金屬雜質。上述狀況均不利于碳納米電極材料在超級電容器中的應用。

發明內容

本發明針對上述碳納米材料的純化方法的缺點進行了創新性的改進，提出了一種用于超級電容器的碳納米電極材料的純化方法。

本發明提供了一種用于超級電容器的碳納米電極材料（碳納米管、石墨烯、洋蔥碳、納米級的活性碳顆粒中的一種或多種）的純化方法，該方法具體步驟如下：

（1）在濃度為0.1?mol/L至其飽和態的酸或堿液（醋酸、甲酸、氫氟酸、鹽酸、硫酸、硝酸、硝硫混酸、王水、KOH或NaOH中的一種或多種）中，在20?℃~130?℃條件下，處理1小時~24小時，以除去大部分初始碳納米電極材料中的雜質（含Si、Al、Mg、Zr或Ti?元素的無機氧化物中的一種或多種，上述無機氧化物雜質的初始含量占雜質總質量分數的0.5%~80%；?Mo、Fe、Co、Ni、W、Cu、Mn、Cr、Au、Ag、Pd、Rh、Mg、Sn、Al或Pb金屬或其碳化物或硫化物中的一種或多種，上述金屬雜質或其碳化物或硫化物的初始含量占雜質總質量分數的0.05%~30%；?Si或Ge元素或其碳化物中的一種或多種，上述半導體元素或其碳化物的初始含量占雜質總質量分數的0.005%~5%；含氧、含氮或含磷的官能團中的一種或多種，上述官能團的初始含量占雜質總質量分數的0%~20%。）。

（2）將經步驟（1）處理后的碳納米電極材料用去離子水洗滌3~5次后，在-10?℃~?-30?℃，壓力1000?Pa?~10^-2?Pa條件下，冷凍干燥1小時~72小時。

（3）將經步驟（2）處理后的碳納米電極材料置于不含金屬的容器中，在高溫弱氧化性氣體（氧氣、CO₂或H₂O蒸汽中的一種或多種，其總體積分數為0.5%~100%，其余氣體為N₂、Ar或He中的一種或多種）中，在750?℃~1000?℃下處理0.1小時~5小時，使部分被碳包覆的金屬氧化物、金屬或金屬碳化物及半導體元素或其碳化物等雜質外露。

（4）在酸或堿中再次除去上述雜質，用去離子水洗滌后再次冷凍干燥。