[發(fā)明專利]一種高電容量碳纖維電極材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910351611.3
• 申請日: 2019-04-28
• 公開（公告）號: CN111863455B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃富強;韓振;畢輝;居亞蘭;馬文勤
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/40;H01G11/86
• 代理公司: 上海瀚橋?qū)＠硎聞?wù)所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優(yōu)麗

本發(fā)明涉及一種高電容量碳纖維電極材料及其制備方法和應(yīng)用，所述碳纖維電極材料為氮摻雜的導(dǎo)電纖維碳材料，所述制備方法包括：將有機纖維置于保護氣氛中，先在300～800℃下預(yù)燒結(jié)，然后置于氨氣氣氛中、500～800℃下熱處理，最后再于保護氣氛中、900～1200℃下碳化處理后并降至室溫，得到所述氮摻雜的導(dǎo)電纖維碳材料；所述有機纖維為聚丙烯腈基纖維、粘膠纖維、瀝青纖維中的至少一種，優(yōu)選為氨綸、滌綸、維綸、芳綸、聚苯并咪唑PBI纖維、聚酰亞胺PI纖維中的至少一種。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超級電容器贗電容型電極材料及其制備方法和應(yīng)用，具體涉及一種高電容量碳纖維電極材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于超級電容器贗電容型電極材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

一些工業(yè)過程(如半導(dǎo)體、化學(xué)、制藥、造紙、紡織工業(yè))對電源的短暫中止和混亂非常敏感，并且會引起昂貴的生產(chǎn)損失。從幾秒到幾分鐘的UPS(不間斷能量系統(tǒng))裝置可以保護這些敏感負載。超級電容器對于這些應(yīng)用能提供更好的能量對功率的比率，并且縮減這類系統(tǒng)的大小和成本，使得它們更加可靠。軍事和空間應(yīng)用中都使用各種各樣的傳動器，如潛艇系統(tǒng)中的排水控制、海軍航行器的發(fā)射、坦克和卡車在很冷或很熱情況下的啟動、運載火箭上強行引導(dǎo)控制傳動器、雷管、脈沖激光等等，以及燃料電池的動力響應(yīng)也都可以用超級電容器來激發(fā)，如果僅僅需要部分燃料電池的能量(如晚上)，那么超級電容器就能提供基本負載，燃料電池其它的輔助系統(tǒng)(泵、壓縮機)就可關(guān)閉，這將提高效率。

超級電容器還可與電池或傳統(tǒng)電容器組合成多動力系統(tǒng)，電池提供基本的負載電力或在低功率給超級電容器充電，這種組合系統(tǒng)應(yīng)能與僅有電池的系統(tǒng)相抗衡。同樣，如果所需的能量僅僅在很短的時間，那么傳統(tǒng)電容器與超級電容器也可以組合。在這種情況下，電介質(zhì)電容器釋放峰功率。在所有的電化學(xué)超級電容器電極材料中，研究最早和技術(shù)最成熟的是碳材料，炭基超級電容器與其他類型超級電容器相比，具有成本低廉、無污染、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，但是由于其內(nèi)阻較大，且正極比容量相對較低，這將影響電容器的整體性能。主要集中在制備具有大的比表面積和較小內(nèi)阻的多孔電極材料上，可用做超級電容器電極的碳材料主要有活性碳、納米碳纖維、玻璃碳、碳氣凝膠、納米碳管等。從材料的發(fā)展趨勢來看，主要是基于雙電層儲能原理，向著提高有效比表面積和可控微孔孔徑的方向發(fā)展。之所以提出可控微孔孔徑的概念，是因為一般要及以上的空間才能形成雙電層，才能進行有效的能量儲存。而制備的碳材料往往存在微孔的不足，致使比表面積的利用率不高。所以，這個系列的發(fā)展方向就主要是可控微孔孔徑，提高有效比表面積。

現(xiàn)在得到最大規(guī)模應(yīng)用的活性炭大部分表面積均是微孔，但是因為有較大的孔中溶液阻抗，導(dǎo)致比電容量一直沒有得到很大突破。玻璃碳、碳納米管等材料，由于其獨特的結(jié)構(gòu)性能，用于超級電容器的研究倍受重視。碳納米管作電極材料有它的優(yōu)越性結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比表面積大、微孔集中在一定范圍內(nèi)且微孔大小可控。從理論上講應(yīng)是做的理想材料。這體現(xiàn)了相對高頻放電的優(yōu)點，這同樣也預(yù)示著由碳納米管為電極材料做的電容器具有高的能量密度，而實驗結(jié)果也確實證明它具有的能量密度。但是，碳納米管用作電化學(xué)超級電容器電極材料的研究還有許多工作有待進行，比如碳納米管的石墨化程度，碳納米管管徑的大小，碳納米管的長度，碳納米管的彎曲程度，以及不同處理方式所帶來的碳納米管接上基團的不同等都會對由它組成的電化學(xué)超級電容器的性能產(chǎn)生很大的影響。目前來看，石墨化程度低、管徑小、長度短、比表面積大的碳納米管具有更好的可逆容量。