[發明專利]一種超級電容器碳/碳化鈦核殼復合球電極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201610297288.2
• 申請日: 2016-05-05
• 公開（公告）號: CN106024402B
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發明（設計）人: 夏新輝;詹繼燁;涂江平;王秀麗
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/36;H01G11/42;H01G11/86
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224
• 代理人: 陳升華

技術領域

本發明涉及碳/碳化鈦復合電極材料領域，具體涉及一種超級電容器碳/碳化鈦核殼復合球電極材料及其制備方法。

背景技術

隨著社會經濟的快速發展，資源和能源日漸短缺，大力發展可再生清潔能源及其儲能器件成為人類社會可持續發展的重大戰略選擇。近年來，超級電容器取得的一系列成果順應了人們對新型儲能器件的需求。超級電容器具有充電時間短、溫度特性好、比功率高、循環壽命好、綠色環保和節約能源等特點，已經在移動通訊、航空航天和電動汽車等領域發揮著重要作用。與鋰離子電池相比，超級電容器具有更高的功率密度，但其能量密度偏低。目前碳材料的比電容量偏低(<300F/g)，以其組裝的超電容全器件比能量密度一般低于10Wh/kg，只有鋰離子電池(120～200Wh/kg)的幾十分之一；且純碳基材料在高倍率條件下能量/功率密度衰減較快，嚴重阻礙了其工業化應用。與此同時，碳基復合材料的研究表明高導電金屬碳化物材料的復合能有效改善碳基材料的高倍率和寬溫循環性能，并提高能量密度和工作電壓。因此，設計合成高容量高功率的碳/碳化鈦電極材料對高性能超級電容器的研制、環境的可持續發展及高性能電極材料的設計開發具有重要意義。

申請公布號為CN104701026A(申請號為201510043121.9)的中國發明專利申請公開了一種碳碳復合電極材料及其制備方法，該材料是一種在石墨烯和碳化物衍生碳之間構成中空結構的石墨烯與碳化物衍生碳的復合材料，該制備方法包括：(1)將粒徑為2.6微米的石墨粉(純度99％)，采用公知的改進的Hummer法制備氧化石墨(GO)，按每毫克GO加入0.5微升水合肼將所得GO用水合肼在80℃下還原2～6小時得到不同還原程度的石墨烯RGO；(2)以粒徑約為20nm的碳化鈦TiC為反應前軀體，采用高溫鹵化法，在400℃～1000℃下與氯氣反應1小時后獲得碳化物衍生碳CDC；(3)分別將所制得的RGO、CDC配成2mg/mL的水溶液，再將配好的RGO溶液和CDC溶液分別在 高功率800W超聲震蕩儀中超聲處理2小時；(4)將RGO溶液與CDC溶液按1:9～9:1的體積比緩慢混合后再超聲處理2小時使其復合均勻，并在室溫下攪拌24小時，90℃烘干，即獲得碳碳復合電極材料。所制備碳碳復合電極材料表現出良好的功率特性和較高的能量密度，比容量可達到220F/g，其性能有待進一步提高。

發明內容

本發明的目的在于針對碳基材料較低的比電容，提供了一種超級電容器碳/碳化鈦核殼復合球電極材料及其制備方法，該復合材料用作超級電容器電極材料兼具有高功率密度、高能量密度和長循環壽命。

一種超級電容器碳/碳化鈦核殼復合球電極材料，包括基底、設置在所述基底上的碳納米球以及包覆在碳納米球表面的碳化鈦納米層，所述的碳納米球的直徑100～500nm，所述的碳化鈦納米層的厚度為10～50nm。所述的基底為泡沫鎳基底。

所述的超級電容器碳/碳化鈦核殼復合球電極材料的制備方法，包括以下步驟：

1)將泡沫鎳基底浸入葡萄糖水溶液，進行水熱反應，之后將水熱產物經洗滌干燥后，進行第一步熱處理，制得負載有相互交聯的碳納米球的泡沫鎳；

2)將步驟1)制備的負載有相互交聯的碳納米球的泡沫鎳，放置于原子層沉積儀中，以四氯化鈦和水為反應源，反應溫度為100～200℃，原子層沉積周期為80-160周，得到TiO₂包覆層；接著將進行第二步熱處理，碳納米球和TiO₂包覆層經碳熱反應形成泡沫鎳負載的超級電容器碳/碳化鈦核殼復合球電極材料。

以下作為本發明的優選技術方案：

步驟1)中，所述的葡萄糖水溶液的濃度為0.1～1mol/L；

所述的水熱反應在密封環境下進行，所述的水熱反應的條件為：在180℃～250℃水熱反應2～6小時。

所述的第一步熱處理在惰性氣體的保護下進行，所述的惰性氣體為氬氣。所述的第一步熱處理的條件為：在500～800℃熱處理1～3小時。

步驟2)中，所述的第二步熱處理在惰性氣體的保護下進行，所述的惰性氣體為氬氣。所述的第二步熱處理的條件為：在800～1300℃熱處理1～5 小時，形成泡沫鎳負載的超級電容器碳/碳化鈦核殼復合球電極材料。

所述的超級電容器碳球/碳化鈦復合電極材料，碳納米球表面復合有碳化鈦納米層，所述的碳納米球直徑100～500nm，所述的納米碳化鈦層厚度為10～50nm。根據實際需要，可以調整反應時間、反應濃度和電流密度來控制其碳球大小與碳化鈦層厚度。