[發明專利]可同時用作電容器正極和負極的聚苯胺/活性碳纖維復合電極材料的制備方法

有效

• 申請號: 201310138150.4
• 申請日: 2013-04-19
• 公開（公告）號: CN103208629A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 金政;田園;蘇琳杰;趙靜
• 申請（專利權）人: 黑龍江大學
• 主分類號: H01M4/60
• 分類號: H01M4/60
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 王艷萍

技術領域

本發明涉及一種電極材料的制備方法。

背景技術

化石能源枯竭和全球氣候變暖使人們對可再生能源的利用日益重視，大力發展清潔能源汽車也成為不可逆轉的趨勢。高效的能量儲存和轉換技術是可再生能源利用和發展電動汽車的關鍵技術之一。超級電容器，是一類性能介于物理電容器和二次電池之間的新型儲能器件，兼有物理電容器高比功率和電池高比能量的特點。由于具有功率密度高、循環壽命長、能瞬間大電流快速充放電、工作溫度范圍寬、安全、無污染的特點，超級電容器在電動汽車、不間斷電源、航空航天、軍事等諸多領域有廣闊的應用前景，引起了國內外研究者的廣泛關注，成為當前化學電源領域的研究熱點之一。

電極材料是超級電容器的關鍵，它決定著超級電容器的主要性能指標。目前應用超級電容器的電極材料主要有三種：碳材料、金屬氧化物和導電聚合物。聚苯胺是一種常見的導電聚合物，聚苯胺具有原料易得，合成簡便，可儲存高密度電荷，耐高溫及抗氧化性能良好等優點。碳/聚苯胺復合材料在二次電池、導電材料、雷達波吸收、傳感器等方面具有廣泛應用前景，其研究具有較高理論價值和現實意義。

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，因而在雙電層電容器領域得到了廣泛的關注。

將聚苯胺與活性碳纖維制成復合電極材料，現有的研究是將其作為超級電容器的正極材料，使其應用受到了很大的限制。并且制得的聚苯胺/活性碳纖維復合電極材料較粗，導致材料的表面利用率較低。摻雜態的聚苯胺與活性碳纖維復合，制得的電極材料有較大的腐蝕性，應用中會造成不便。常用的超級電容器電解液有四類，酸性水溶液電解液：以硫酸水溶液為代表的，其腐蝕性較大，電極材料不能為金屬材料；中性電解液，常用的有鉀鹽，鈉鹽，及少部分的鋰鹽，其分解電壓較低，影響材料的性能；有機電解液，不常見，費用較高；堿性水溶液電解液，碳材料，金屬材料及導電聚合物均可在堿液電解液下有較好的性能，其應用較廣泛，而且價格低廉，容易制得。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有方法制備的聚苯胺/活性碳纖維復合電極材料較粗，導致材料的表面利用率較低的技術問題，提供了一種可同時用作電容器正極和負極的聚苯胺/活性碳纖維復合電極材料的制備方法。

可同時用作電容器正極和負極的聚苯胺/活性碳纖維復合電極材料的制備方法按照以下步驟進行：

一、將聚丙烯腈與N，N-二甲基甲酰胺混合，攪拌5-10天，得到聚丙烯腈質量濃度為8％-16％的紡絲液，以鋁箔為接收板，在輸出電壓為20-28kv、接收距離為15-30cm、紡絲液流量為1.0ml/h-1.8ml/h、空氣濕度為0-45％、噴絲孔徑為0.2-0.7mm的條件下進行靜電紡絲，制得聚丙烯腈纖維；

二、將聚丙烯腈纖維以每20-120min升溫5-20℃的升溫速度升至150-260℃，完成階梯式預氧化處理；

三、將經過步驟二處理的聚丙烯腈纖維置于管式爐中，在氮氣保護的條件下升溫至800-1100℃，并保溫1-5h，制得活性碳纖維；

四、將活性碳纖維、苯胺與稀鹽酸混合均勻，然后按照過硫酸銨與苯胺摩爾比為1∶1的比例滴加過硫酸銨溶液，在0-20℃的條件下，攪拌、反應2-5h，過濾，將濾渣在氨水中浸泡8-16h，過濾，洗滌，真空干燥16～26h，即得可同時用作電容器正極和負極的聚苯胺/活性碳纖維復合電極材料；步驟四中苯胺與稀鹽酸的摩爾比為1∶2，活性碳纖維與苯胺的比例為0.04g∶9mL。步驟三中所述的保護氣為氮氣，氮氣流量為0.048-0.096L/min，步驟四中所述氨水質量濃度為6-10％

本發明制得的聚苯胺/活性碳纖維復合電極材料既可用作超級電容器的正極材料，又可用作其負極材料；制備出的活性碳纖維直徑僅為200-250nm，聚苯胺/活性碳纖維復合電極材料的直徑也僅是400-500nm，比表面積較大；并且復合材料中的聚苯胺是本征態的。

本發明具有以下有益效果：

1、本發明制得的聚苯胺/活性碳纖維復合電極材料既可以作超級電容器的正極材料又可作為負極材料，拓寬了其應用領域。

2、本發明制得的聚苯胺/活性碳纖維復合電極材料較細，增加了材料的比表面積，使電性能較突出。

3、本發明制得的聚苯胺/活性碳纖維復合電極材料中的聚苯胺為本征態的，腐蝕性較小，應用領域較寬。

4、此發明的電極在堿液下進行超級電容器測試，材料的電化學性能較好，且穩定，具有較高的比電容。