[發明專利]一種分級多孔碳基復合超級電容器電極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110533167.4
• 申請日: 2021-05-17
• 公開（公告）號: CN113201809B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 徐嵐;葉成偉;劉福娟;魏凱;王萍
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01F1/10;H01G11/34;H01G11/86;H01G11/24;H01G11/26;H01G11/40;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 蘇州謹和知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32295
• 代理人: 唐靜芳

本申請涉及一種分級多孔碳基復合超級電容器電極材料的制備方法，包括：S1、制備金屬有機框架ZIF?67納米顆粒；S2、將聚丙烯腈(PAN)和造孔劑溶于溶劑中，再加入步驟S1制備得到的金屬有機框架ZIF?67納米顆粒，攪拌分散均勻，獲得紡絲溶液，然后將紡絲溶液通過靜電紡絲得到納米復合纖維；S3、將納米復合纖維進行預氧化和碳化處理，得到分級多孔碳基復合超級電容器電極材料。造孔劑碳化去除后留下介孔，ZIF?67碳化后產生的微孔結構形成分級多孔，該獨特的分級多孔結構，使得材料比表面積大、電導率高且具有出色的比電容和良好的循環穩定性，且制備方法可控性強、對材料具有廣泛適用性、工藝流程短、操作簡單方便且適用于多種碳基超級電容器電極材料的可控制備。

技術領域

本發明涉及一種分級多孔碳基復合超級電容器電極材料及其制備方法，屬于超級電容器領域。

背景技術

超級電容器又被稱為超大容量電容器或者電化學電容器，是一種介于傳統電容器和電池之間的新型綠色儲能器件。作為一種新型綠色儲能器件，超級電容器既具有遠高于傳統電容器的能量密度，同時與電池相比，又具有較高的功率密度。并且超級電容器具有充電時間短、充放電速率高、循環使用壽命長、無記憶效應以及基本無需維護等優點，被廣泛應用在軍事、航空航天、國防、通訊設備以及電動汽車等領域。

電極材料是超級電容器中最重要的組成部分。現今對電極材料的研究主要集中在制備高比電容、高功率密度和能量密度，且可以進行大電流充放電，穩定性好和環境友好的活性材料。為了達到以上的要求，所制備的電極材料應具有大的比表面積，能夠擴大電荷的存儲，提高超級電容器的比電容；小的內阻，導電性好；不會與電解液發生化學反應及來源廣泛等條件。

近年來，由于靜電紡絲制備得到的納米纖維材料具有高比表面積、高孔隙率、良好的導電性能和穩定的物理化學性質等特點，其在超級電容器電極材料方面的應用得到了極大的關注。聚乙烯醇(PVA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及聚丙烯腈(PAN)等高分子聚合物具有高的含碳量和優良的可紡性能，可以作為前驅體，結合靜電紡絲技術制備碳納米纖維材料，經過高溫碳化處理可作為超級電容器的電極材料，并表現出良好的比電容和高的循環穩定性。然而由于這些纖維具有封閉的內部結構，難以獲得較大的比表面積從而不能為離子吸-脫附提供足夠的位點，使材料比電容的提高受到限制。金屬有機骨架材料衍生的多孔碳材料具有超高的比表面積和豐富的孔結構，能為離子提供大量的吸脫附位點，可獲得較高的比電容，但是其自身導電性差將導致活性材料的有效利用率降低，從而限制其高倍率性能的提高。一些研究表明，具有復合結構的納米材料，能夠同時表現各自的優點并產生協同效應，從而獲得更高的比電容。

發明內容

本發明的目的在于提供一種比表面積大、電導率高、出色的比電容和良好的循環穩定性的分級多孔碳基復合超級電容器電極材料的制備方法。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：一種分級多孔碳基復合超級電容器電極材料的制備方法，包括：

S1、制備金屬有機框架ZIF-67納米顆粒；

S2、將聚丙烯腈(PAN)和造孔劑溶于溶劑中，再加入所述步驟S1制備得到的金屬有機框架ZIF-67納米顆粒，攪拌分散均勻，獲得紡絲溶液，然后將所述紡絲溶液通過靜電紡絲得到納米復合纖維；

S3、將所述納米復合纖維進行預氧化和碳化處理，得到分級多孔碳基復合超級電容器電極材料。

進一步地，所述聚丙烯腈和造孔劑的質量比為1：0.5-2。

進一步地，所述聚丙烯腈和金屬有機框架ZIF-67納米顆粒的質量比為1：0-0.5。

進一步地，所述造孔劑為聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙基丙烯酸乙酯中的任一種。

進一步地，所述溶劑為無水乙醇、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N，N-二甲基乙酰胺或N，N-二甲基甲酰胺與丙酮的混合溶液中的任一種或多種。