[發(fā)明專利]一種二氧化錳/介孔碳納米分級(jí)復(fù)合電極材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310608257.0
• 申請(qǐng)日: 2013-11-26
• 公開（公告）號(hào): CN103594254A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程起林;姜立學(xué);李春忠;趙潔;杜雙雙
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華東理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G11/86
• 分類號(hào): H01G11/86;H01G11/38;H01G11/46
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 胡紅芳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是屬于新能源材料領(lǐng)域，涉及一種超級(jí)電容器電極材料的制備方法，具體涉及一種二氧化錳/介孔碳納米分級(jí)復(fù)合材料的制備。

技術(shù)背景

超級(jí)電容器也叫電化學(xué)電容器，是一種新型綠色儲(chǔ)能元件，因其具有比電池更高的功率密度和和比傳統(tǒng)雙電層電容器更高的能量密度而得到廣泛關(guān)注。尤其是近年來隨著全球能源需求持續(xù)增長(zhǎng)而化石燃料儲(chǔ)量的日益減少，以及化石燃料燃燒帶來的環(huán)境污染嚴(yán)重地影響著人類的生存環(huán)境，因此對(duì)于潔凈、可再生能源的研究與開發(fā)就顯得極為重要。超級(jí)電容器同時(shí)具有充放電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、使用溫度范圍寬、對(duì)環(huán)境污染小等特點(diǎn)，這使得其作為能量存儲(chǔ)設(shè)備可應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車、便攜式電子產(chǎn)品、存儲(chǔ)備份系統(tǒng)、大型工廠設(shè)施以及軍事設(shè)備等領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有的超級(jí)電容器仍然具有很多缺點(diǎn)，比如相對(duì)低的能量密度、高成本、高自放電速率、缺乏商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)等。電極材料是超級(jí)電容器核心部件，設(shè)計(jì)與開發(fā)優(yōu)異的電極材料是提高性能的關(guān)鍵。

有序介孔碳是一種新型的多空碳材料，具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性能，其有序介孔結(jié)構(gòu)有利于離子的快速傳輸，被廣泛用作電極材料。與商業(yè)化活性碳材料相比，大介孔和二維孔結(jié)構(gòu)的有序介孔碳表現(xiàn)出優(yōu)異的電容行為、功率輸出和高倍率性能。但相對(duì)于金屬氧化物和導(dǎo)電高分子這兩類電極材料來說，碳材料的比容量低。二氧化錳具有成本低、無毒、高理論比容量、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是理想的電極材料，但是電阻大。將有序介孔碳滲透并包覆大直徑海膽狀二氧化錳，使兩者結(jié)合在一起，充分發(fā)揮兩種不同材料之間的協(xié)同效應(yīng)，提高復(fù)合材料的比表面積和電導(dǎo)率，從而優(yōu)化電極材料的電化學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上問題，本發(fā)明的目的是提出一種二氧化錳/介孔碳納米分級(jí)復(fù)合電極材料的制備方法，并研究其作為超級(jí)電容器電極材料的電化學(xué)性能。

本發(fā)明的構(gòu)思是這樣的：通過水熱法制備空心海膽狀二氧化錳，將其與有序介孔碳的前驅(qū)體酚醛樹脂和二氧化硅的前驅(qū)體正硅酸乙酯充分混合均勻，使酚醛樹脂包覆在二氧化錳表面并浸漬到內(nèi)部，常溫下?lián)]發(fā)自組裝并使酚醛樹脂固化，隨后在高溫管式爐中碳化。最后用氫氧化鈉水溶液除去二氧化硅球得到分級(jí)結(jié)構(gòu)的二氧化錳/介孔碳納米復(fù)合材料。將介孔碳材料與海膽狀二氧化錳的復(fù)合，有利于提高材料的比表面積和導(dǎo)電性，發(fā)揮兩者間的協(xié)同效應(yīng)，提高材料的電化學(xué)性能。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種二氧化錳/介孔碳納米分級(jí)復(fù)合電極材料的制備方法，包括如下步驟：

（1）將0.5～1.0g一水合硫酸錳和0.6～1.5g過硫酸銨先后加入到45mL去離子水中，攪拌40～80min，倒入反應(yīng)釜并將反應(yīng)釜放入烘箱，在80～120℃的烘箱中保持8～12h，將反應(yīng)得到的黑色沉淀用去離子水和無水乙醇洗滌烘干，得到具有空心結(jié)構(gòu)的海膽狀二氧化錳；

（2）將0.06～0.5g0.2M的鹽酸溶液與0.05～0.5g?PluronicF127溶解于3～8g無水乙醇中，攪拌均勻后分別加入0.1～1.0g正硅酸乙酯和0.3～2.5g質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的酚醛樹脂乙醇溶液，繼續(xù)攪拌15～30min得到混合溶液；

所述質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的酚醛樹脂乙醇溶液中乙醇為溶劑；

（3）將步驟（1）得到的海膽狀二氧化錳0.1g加入到步驟（2）的混合溶液中，攪拌超聲2～4h，然后將其靜置揮發(fā)自組裝3～6h，放入80～120℃的烘箱保溫16～30h得到復(fù)合物；

（4）將步驟（3）得到的復(fù)合物放入高溫管式爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下800～1000℃保溫1～4h，將復(fù)合物中的酚醛樹脂碳化，得到黑色產(chǎn)物；

（5）將步驟（4）得到的黑色產(chǎn)物研磨，放入濃度1～2M的氫氧化鈉水溶液中攪拌16～30h，除去其中的二氧化硅球，用大量去離子水和無水乙醇洗至中性，烘干，得到二氧化錳/介孔碳納米分級(jí)復(fù)合電極材料。

所述二氧化錳/介孔碳納米分級(jí)復(fù)合電極材料中，二氧化錳的直徑為1～5μm、表面針刺長(zhǎng)度為500nm～1μm。

所述分級(jí)結(jié)構(gòu)的二氧化錳/介孔碳納米復(fù)合材料為有序介孔碳滲透并包覆海膽狀二氧化錳的結(jié)構(gòu)，并隨碳含量的變化復(fù)合物表面形貌有所不同。

所述二氧化錳/介孔碳納米分級(jí)復(fù)合電極材料應(yīng)用于超級(jí)電容器中，其比容量比純二氧化錳高出0.8～1倍，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。

本發(fā)明的有益效果：