[發明專利]多級次孔碳氣凝膠材料、超級電容器電極材料及制法

有效

• 申請號: 201911184923.6
• 申請日: 2019-11-27
• 公開（公告）號: CN110867327B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 韓冰;王云楷;王祥科
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: H01G11/30
• 分類號: H01G11/30;H01G11/32;H01G11/36;H01G11/26;H01G11/24;H01G11/86;C01B32/05
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 商秀玲

本發明涉及電容器制備領域，具體涉及多級次孔碳氣凝膠材料、超級電容器電極材料及制法。該多級次孔碳氣凝膠材料以石墨烯氣凝膠為骨架，ZIF?8衍生碳為修飾微粒；其中，所述ZIF?8衍生碳與石墨烯氣凝膠的質量比為2：1～6：1，所述ZIF?8衍生碳的含氮量為5％～15％，直徑為0.6～1.2μm。本發明結合了石墨烯氣凝膠和金屬有機框架ZIF?8衍生碳的優勢，克服當前超級電容器用電極材料在孔結構和表面功能化方面的技術缺陷，該材料具有微孔?介孔?大孔的多級次孔結構和均勻分布的氮原子摻雜，同時兼具孔隙豐富、導電性好和雙電層電容?贗電容復合等優勢，是一種前景良好的超級電容器用電極材料。

技術領域

本發明涉及電容器制備領域，具體涉及多級次孔碳氣凝膠材料、超級電容器電極材料及制法。

背景技術

隨著經濟的不斷發展，人類社會對高性能儲能設備的需求日益增加，超級電容器以其容量大、充電速度快、循環壽命長等優勢受到越來越多的關注。根據不同的電荷存儲過程，超級電容器可分為法拉第贗電容器和電化學雙層電容器。贗電容器通過電極材料的氧化還原反應來儲存電能，雖然贗電容材料具有較高的比電容，但其速率穩定性和長循環性能往往不理想。在雙電層電容器中，電荷以雙電層的形式吸附在納米孔表面實現能量存儲。與贗電容材料相比，碳材料具有良好的物理化學穩定性和高導電性，使其成為平衡儲能能力和倍率性能的潛在電極材料。以往的研究表明，微孔在提高比電容方面起著主導作用，而中孔和大孔是離子快速充放電的輸運通道(M.Salanne,B.Rotenberg,K.Naoi,K.Kaneko,P.L.Taberna,C.P.Grey,B.Dunn,P.Simon,Efficient storage mechanisms for buildingbetter supercapacitors,Nat.Energy 1(2016)16070；M.J.Zhi,F.Yang,F.K.Meng,M.Q.Li,A.Manivannan,N.Q.Wu,Effects of pore structure on performance of anactivated-carbon supercapacitor electrode recycled from scrap waste tires,ACSSustainable Chem.Eng.2(2014)1592-1598)。因此，開發新型超級電容器電極材料的關鍵在于提高離子可接觸比表面積和構建利于電荷快速傳輸的三維多級次孔碳材料。

與活性炭、碳纖維/納米管等傳統碳材料相比，石墨烯具有獨特的二維層狀結構，通過組裝過程可形成三維(3D)骨架，即三維石墨烯氣凝膠。三維石墨烯氣凝膠(GA)具有與二維石墨烯壁相互連接的大孔，不僅克服了石墨烯在循環過程中的聚集問題，而且為其他材料原位生長形成復合結構提供了豐富的表面。以三維石墨烯氣凝膠作為基體構建的三維石墨烯基復合材料因其高導電性、良好機械穩定性和可程序化的表面功能性，被廣泛應用于儲能、傳感、光學和催化等領域(G.Zhou,E.Paek,G.S.Hwang,A.Manthiram,High-performance lithium-sulfur batteries with a self-supported,3D Li₂S-dopedgraphene aerogel cathodes,Adv.Energy Mater.6(2016)1501355)。三維石墨烯氣凝膠提供了大孔基體，通過引入介孔和微孔，形成三維多級次孔石墨烯基復合材料，為進一步提升超級電容器的儲能性能提供了潛在的電極材料。