[發明專利]一種煤瀝青基碳纖維的制備方法及應用

在審

• 申請號: 201711392629.5
• 申請日: 2017-12-21
• 公開（公告）號: CN107904699A
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 于興河
• 申請（專利權）人: 中冶焦耐（大連）工程技術有限公司
• 主分類號: D01F9/15
• 分類號: D01F9/15;D01D5/00
• 代理公司: 鞍山嘉訊科技專利事務所21224
• 代理人: 張群

技術領域

本發明涉及碳材料制備技術領域，尤其涉及一種煤瀝青基碳纖維的制備方法及應用。

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(supercapacitors)，也稱電化學電容器(electrochemical capacitors)，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、無污染等特點，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。

電極材料的選用是超級電容器制備的關鍵部分，它決定著超級電容器的主要性能指標。炭材料比電容高，循環壽命長，且資源豐富、結構多樣、成本適中，是超級電容器領域最為活躍的研究方向。

纖維類碳材料由于具有強度高、質量輕、比表面積大、耐高溫高壓、且可加工性強等特點，是制備超級電容器電極的理想材料。制備碳纖維的碳源主要是有機聚合物，如聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇(PVA)、聚甲醛(POM)等。與有機聚合物相比，煤具有較高的含碳量(50％～98％)和較低的成本，更適合作為制備納米碳纖維的碳源。

發明內容

本發明提供了一種煤瀝青基碳纖維的制備方法及應用，將煤瀝青與助紡劑混合后，采用靜電紡絲技術制備煤瀝青基碳纖維，制備過程簡單，原料來源豐富，所制備的煤瀝青基碳纖維用作超級電容器電極具有比電容高，倍率性能好等優點。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案實現：

一種煤瀝青基碳纖維的制備方法，包括以下步驟：

1)將聚乙烯吡咯烷酮溶于二甲基甲酰胺中，質量分數為7％～15％，溶解溫度40～100℃；

2)將中溫煤瀝青溶于步驟1制得的溶液中，中溫煤瀝青與聚乙烯吡咯烷酮的質量比為1～7:1；

3)將步驟2制得的混合溶液放入靜電紡絲機的注射器內進行紡絲，設置電壓10～25kV，注射器與接收器距離5～15cm；

4)將紡絲后的纖維在250℃的空氣中預氧化2h以上后進行碳化，碳化溫度700～1000℃，處理時間1～3h，冷卻至室溫后即得到煤瀝青基碳纖維。

由所述方法制備的煤瀝青基碳纖維，用于制備超級電容器。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1)制備方法簡單易行，靜電紡絲法在常溫下即可制備直徑較小的碳纖維，能耗低；

2)以煤瀝青為主要碳源，碳纖維導電性好；

3)原料價格低廉，來源豐富，易于實現規模化生產；

4)所制備的煤瀝青基碳纖維作為超級電容器電極材料時，表現出較高的比容量和較好的倍率性能。

附圖說明

圖1是本發明實施例1中所制備的煤瀝青基碳纖維的掃描電鏡照片。

具體實施方式

本發明所述一種煤瀝青基碳纖維的制備方法，包括以下步驟：

1)將聚乙烯吡咯烷酮按7％～15％溶于二甲基甲酰胺中，質量分數為7％～15％，溶解溫度40～100℃；

2)將中溫煤瀝青溶于步驟1制得的溶液中，中溫煤瀝青與聚乙烯吡咯烷酮的質量比為1～7:1；

3)將步驟2制得的混合溶液放入靜電紡絲機的注射器內進行紡絲，設置電壓10～25kV，注射器與接收器距離5～15cm；

4)將紡絲后的纖維在250℃的空氣中預氧化2h以上后進行碳化，碳化溫度700～1000℃，處理時間1～3h，冷卻至室溫后即得到煤瀝青基碳纖維。

由所述方法制備的煤瀝青基碳纖維，用于制備超級電容器。

以下實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。下述實施例中所用方法如無特別說明均為常規方法。

【實施例1】

本實施例中，所述煤瀝青基碳纖維的制備方法，包括以下步驟：

1)將8g聚乙烯吡咯烷酮溶于92g二甲基甲酰胺中，在40℃溫度下溶解，配置成質量分數為8％的溶液；

2)將8g中溫煤瀝青溶于步驟1)制得的溶液中；

3)將步驟2)制得的混合溶液放入靜電紡絲機注射器內進行紡絲，設置電壓15kV，注射器與接收器距離10cm；