[發(fā)明專利]一種自支撐電容器電極材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610002138.4
• 申請日: 2016-01-06
• 公開（公告）號: CN105655153B
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邵長路;苗富軍;李興華;張昕彤;劉益春
• 申請（專利權(quán)）人: 東北師范大學(xué)
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/24
• 代理公司: 長春市東師專利事務(wù)所22202
• 代理人: 劉延軍,李榮武

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)電容器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及自支撐多孔碳電極材料的制備方法。

背景技術(shù)

隨著人們對環(huán)境保護(hù)的逐漸重視和不斷尋求清潔高效的可再生能源利用方式，超級電容器作為一個(gè)理想的能量存儲器件由于具有高功率密度、快速充放電以及超長的循環(huán)穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，不僅在混合動(dòng)力汽車等新型能源裝置中具有巨大的潛在的應(yīng)用價(jià)值，在通信、航天、國防等方面也發(fā)揮著重要的作用，因此成為廣大科研工作者關(guān)注和研發(fā)的對象。

電極材料作為超級電容器的關(guān)鍵組成部分，決定了超級電容器基本特性。碳材料因其廉價(jià)易得、工作溫度范圍寬、比重小、比表面積可調(diào)、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、化學(xué)穩(wěn)定性高、生產(chǎn)工藝成熟、對環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)常常被用于超級電容器電極材料。這種基于碳材料的雙電層電容器，其相對較低的能量密度，并不能夠滿足實(shí)際需求及應(yīng)用。目前，研究主要集中于提高碳材料的比表面積以及其調(diào)節(jié)孔徑分布來提高電容器的電化學(xué)性質(zhì)。其中提高碳材料比表面積增加雙電層電容；調(diào)節(jié)孔徑分布改善電容器的大電流充放電能力。因此具有高比表面積的多孔碳材料是一種較理想的提高碳材料電化學(xué)性質(zhì)的方法。然而目前所制備的高比表面積的多孔碳材料大多數(shù)的都是粉末狀不具備自支撐特性，這就導(dǎo)致了在電極制作的過程中，需要添加粘結(jié)劑和活性炭進(jìn)行涂漿的方式制作電極。這種制備方式使得電極材料具有較大的接觸電阻以及降低了活性材料和電解液的有效接觸面積，因此限制了這種高比表面積的多孔碳材料的電化學(xué)性質(zhì)的進(jìn)一步提高。

目前獲得的相關(guān)高比表面積的多孔碳材料，要么是微孔結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)的碳材料，雖然具有高的比表面積，但是比電容并沒有很大程度上的提高；要么涉及到步驟繁瑣、過程復(fù)雜、條件苛刻以及成本高等問題，限制了其在超級電容器中進(jìn)一步應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種自支撐多孔碳納米材料的制備方法，該電極材料制備方法簡單。

一種自支撐電容器電極材料的制備方法，具體是按照以下步驟制備的：

步驟1：配制2g聚丙烯腈和2g聚乙烯吡咯烷酮的N,N-二甲基甲酰胺前驅(qū)體溶液10ml；

步驟2：將泡沫鎳浸漬在上述前驅(qū)體溶液中，使得前驅(qū)體溶液完全充滿泡沫鎳的孔隙中。

步驟3：將步驟2含有前驅(qū)體溶液的泡沫鎳取出，放入去離子水中并保持一小時(shí)。由于相分離原理，在此過程中獲得泡沫鎳支撐的多孔聚丙烯腈薄膜前驅(qū)體。

步驟4：將步驟3所得到的泡沫鎳支撐的多孔聚丙烯腈薄膜置于80攝氏度烘箱12h烘干。

步驟5：將步驟4中所得泡沫鎳支撐的多孔聚丙烯腈薄膜前驅(qū)體置于管式爐中，在惰性氣氛中熱處理，所述處理的溫度為800~1000攝氏度，更優(yōu)選為900攝氏度，升溫速率為5攝氏度每分鐘從室溫升溫到優(yōu)選溫度。

步驟6：將步驟5中獲得的碳化后的產(chǎn)物浸泡在10 mol/L氫氧化鉀水溶液中12小時(shí)后，取出置于80攝氏度烘箱12h烘干。

步驟7：將步驟6中得到的帶有氫氧化鉀的碳化產(chǎn)物置于管式爐中，在惰性氣氛中熱處理，所述處理的溫度優(yōu)選為750攝氏度并保持一小時(shí)，升溫速率為3攝氏度每分鐘從室溫升溫到優(yōu)選溫度。

步驟8：將步驟7所得產(chǎn)物，現(xiàn)用稀鹽酸浸泡，然后用去離子水多次清洗。最終得到泡沫鎳支撐的多孔碳納米電極材料。

利用本發(fā)明的自支撐電容器電極材料的制備方法，制備的高比表面積的多孔碳材料，組裝成的紐扣電池（CR2025），電解液為6 M 氫氧化鉀水溶液，在0.25 A/g的電流密度下其電池電容值高達(dá)73 F/g，同時(shí)具有非常好的大電流充放電能力，即在30 A/g的電流密度下其比電容仍保持58 F/g，表現(xiàn)出了良好的超級電容器性能。

本發(fā)明的自支撐電容器電極材料的制備方法，制備工藝簡單、流程短、設(shè)備依賴性低、適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

本發(fā)明的制備方法制得的自支撐電容器的電極材料，能夠用于超級電容器的電極中，得到性能優(yōu)良的電極，從而提高該電極材料的超級電容器的性能。

附圖說明

附圖1為實(shí)施例1制備的自支撐多孔碳電極材料的掃描電鏡照片；

附圖2為實(shí)施例1制備的自支撐多孔碳衍射譜（A）和X射線光電子能譜（B）;電極材料的X射線；

附圖3為實(shí)施例1制備的自支撐多孔碳電極材料的氮?dú)馕?脫附等溫性曲線（A）和通過NLDFT方法計(jì)算得到的孔徑分布（B）；