[發明專利]一種N,B共摻雜炭基超級電容器電極材料的制備方法

在審

• 申請號: 202110419102.7
• 申請日: 2021-04-19
• 公開（公告）號: CN113120878A
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 陳曉紅;杜寶攀;李孟
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01G11/30;H01G11/34;H01G11/44
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本發明屬于超級電容器電極材料技術領域，涉及一種N,B共摻雜炭基超級電容器電極材料的制備方法。以殼聚糖為自含氮碳源，硼酸作為摻雜劑。通過Zn?殼聚糖氣凝膠制備、高溫熱處理、水熱摻雜B處理等過程，實現了高性能B,N共摻雜分級多孔炭雙電層電容器電極材料的制備。本發明中以廉價可再生的殼聚糖為含氮碳源，解決了商用雙電層電容器電極材料成本高昂的問題。通過設計B,N共摻雜分級多孔炭結構，解決了商用雙電層電容器電極材料比容量偏低的問題，有利于雙電層電容器的廣泛應用。

技術領域

本發明屬于超級電容器電極材料技術領域，涉及一種N,B共摻雜炭基超級電容器電極材料的制備方法。

背景技術

超級電容器具有高功率能力，出色的安全性和穩定的可循環性等優點。雙電層電容器通過電極與電解質之間的界面吸附電解質離子來存儲能量，具有充電效率高，響應速度快，使用壽命長和工作溫度范圍寬等優點，因而被廣泛用于許多領域。如今，常見的EDLC電極材料包括活性炭和石墨烯。由于高比表面積和豐富的孔隙率，多孔碳材料通常表現出出色的速率和循環性能。

然而，大多數基于活性炭的超級電容器面臨兩個瓶頸：比電容低和成本高。例如日本可樂麗公司YP50F，其電容值為28F g^-1，其價格卻高達20元/克。針對炭基雙電層電容器電極材料的改性通常有引入雜原子進行摻雜和構建分級多孔結構等方式。雜原子摻雜可以顯著降低吉布斯的吸附自由能，從而提高能量和功率密度。由于摻雜劑之間的協同效應，共摻雜可以進一步改善電荷存儲能力。同時位于碳骨架中的雜原子不僅可以增強電子導電性，而且可以提高碳材料的電解質潤濕性。分級多孔結構在提高超級電容器電極材料方面發揮著重要的作用。微孔可以為電極提供高比表面積，這對于提高電荷儲存容量十分有幫助。而中孔和大孔可作為離子緩沖儲集層，以縮短離子的擴散長度。由此，如何制備雜原子摻雜的分級多孔結構碳基電極材料成為當今的研究熱點。

發明內容

針對上述情況，本發明以殼聚糖為自含氮碳源，硼酸作為摻雜劑。通過Zn-殼聚糖氣凝膠制備、高溫熱處理、水熱摻雜B處理等過程，實現了高性能B,N共摻雜分級多孔炭雙電層電容器電極材料的制備。主要包含以下步驟：

步驟(1)將乙酸溶于去離子水中，配置乙酸溶液。隨后攪拌所制備的乙酸溶液，緩慢加入殼聚糖粉末，攪拌至得到澄清溶膠。

步驟(2)將一定乙酸鋅溶于去離子水中，得到乙酸鋅溶液。將所得溶液緩慢加入殼聚糖溶膠中，攪拌制備Zn-殼聚糖溶膠。

步驟(3)將制備的Zn-殼聚糖溶膠置于凍干機中，設置程序經過一定時間低溫凍干制備Zn-殼聚糖氣凝膠。

步驟(4)將Zn-殼聚糖氣凝膠置于管式炭化爐中，經過高溫熱處理得到N摻雜分級多孔碳。

步驟(5)將所制備的N摻雜分級多孔碳研磨至粉末，置于去離子水中攪拌分散并加入硼酸粉末，使硼酸充分溶解。

步驟(6)將硼酸-N摻雜多孔碳溶液置于聚四氟乙烯水熱釜內襯中，進行高溫水熱處理。

步驟(7)將水熱后的溶液抽濾至中性，隨后用乙醇洗，將所得到的粉末置于恒溫鼓風干燥箱中干燥一定時間，即可得到N,B共摻雜分級多孔碳材料。

步驟(1)中所配置的乙酸溶液其濃度可在1～2％之間，配置體積在40～50mL之間，加入殼聚糖的質量在1-1.5g之間。

步驟(2)中乙酸鋅與殼聚糖質量之比控制在2:1～8:1之間。

步驟(3)中凍干溫度控制在-90℃，凍干機真空度控制在-0.08-0.1MPa，凍干時間控制在36h～48h之間。

步驟(4)中管式電阻爐升溫速率為5℃/min，溫度控制在910～1000℃之間，保溫為2～4h。降溫速率控制為500-1000℃之間，500℃以下自然降溫。