[發明專利]基于多壁碳納米管-碳化木材混合支架的電極材料、制備方法和超級電容器

有效

• 申請號: 202010885936.2
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN112053855B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 羅勇鋒;王欣;吳維;鄧圓圓;周璀;王紫恒;李祖偉;卓楚航;陳道勇
• 申請（專利權）人: 中南林業科技大學
• 主分類號: H01G11/36
• 分類號: H01G11/36;H01G11/44;H01G11/24;H01G11/86
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種基于多壁碳納米管?碳化木材混合支架的電極材料，包括碳化木片；碳化木片為杉木片經過碳化和活化后形成，碳化木片上形成有管胞結構，管胞結構的內壁上通過化學氣相沉積原位錨固生長有多壁碳納米管使得在碳化木片上形成有MWCNT?CW支架，并且通過電化學沉積將Co(OH)₂納米片包裹在多壁碳納米管上得到基于多壁碳納米管?碳化木材混合支架的電極材料。本發明的電極材料制備成為的超級電容器具有很高的儲能性能，包括3.31Fcm^?2的面電容，0.9mWhcm^?2的能量密度，70mWcm^?2的功率密度以及在60mAcm^?2的電流密度下充放電11,000次充電后的電容保持率97.8％。

技術領域

本發明涉及一種超級電容器的電極材料，尤其涉及一種基于多壁碳納米管-碳化木材混合支架的電極材料、制備方法和超級電容器。

背景技術

由于生物質衍生的材料豐富，用途廣泛，固有的孔隙率和成本低廉，它們在儲能設備的構造中引起了研究人員的極大興趣。木材中有大量的管胞結構，腔室大小為數十微米，可以碳化以賦予導電性。所得的碳化木支架繼承了原始的多孔結構，該結構允許在內部裝載活性物質，并使電子能夠沿著管胞結構通道快速傳輸。因此，碳化木是用于儲能設備(例如超級電容器)的合適支架。可以將電化學活性物質，例如氫氧化鈷、二氧化錳、聚吡咯和聚苯胺進一步引入大孔中以提高比電容。然而，這些活性材料通常與導電支架的整合性較差，這導致在周期性的充電和放電循環期間電容快速衰減，并且在高電流下電容也會大幅下降。活性材料與導電支架的結合以實現有效的電相互作用，對于促進界面處的氧化還原化學作用并從而在存儲電荷時實現高電容至關重要。與合成電極相比，先天的孔隙率使碳化木不易進行結構修飾，因此改變每個管胞結構內部的局部形態和表面化學仍然很棘手。

專利2019110011575，基于核殼結構的聚苯銨-碳納米管電極材料、制備方法和超級電容器；在這個專利里面在杉木片的管胞結構的內壁上生長碳納米管，并且在碳納米管的表面沉積一層聚苯銨，從而形成核殼結構。聚苯銨的加入使得電極具有良好的導電性；同時，CNT有效的增大了PANI的結合位點，使得電極能夠上載更多的PANI，進一步增大電極電容。CNT與PANI形成的核殼結構，促進了電子的快速傳輸。但是這個專利里面我們采用了理論比容更高(3460F g^-1)的氫氧化鈷作為活性物質，其具有成本低和地球上儲量豐富的優勢，是最有前途的超級電容器候選電極材料之一。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種具有更高儲能能力的基于多壁碳納米管-碳化木材混合支架的電極材料、制備方法和超級電容器。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：一種基于多壁碳納米管-碳化木材混合支架的電極材料，包括碳化木片；所述碳化木片為杉木片經過碳化和活化后形成，所述碳化木片上形成有管胞結構，所述管胞結構的內壁上通過化學氣相沉積原位錨固生長有多壁碳納米管使得在碳化木片上形成有MWCNT-CW支架，并且通過電化學沉積將Co(OH)₂納米片包裹在多壁碳納米管上得到基于多壁碳納米管-碳化木材混合支架的電極材料。

上述的基于多壁碳納米管-碳化木材混合支架的電極材料，優選的，碳化為在250℃的鼓風干燥箱中干燥3-9小時以進行預碳化后將木片放置管爐中在Ar氣的保護下加熱至1000℃碳化3-9小時。

上述的基于多壁碳納米管-碳化木材混合支架的電極材料，優選的，所述活化為在750℃下用CO₂氣體流動氣氛中活化8-12小時，所述CO2的流動速度為60-100sccm。