專利名稱：一種超級電容器微孔炭材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超級電容器電極材料的制備方法，特別涉及一種真空浸漬-氣相沉積
兩步法制備微孔炭電極材料的方法。
背景技術(shù)：
超級電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的新型儲能裝置，兼有傳統(tǒng)電 容器和二次電池的特性。超級電容器比能量是傳統(tǒng)電容器的20-200倍，它的功率密度高出 二次電池一個數(shù)量級，很好的彌補了電池和燃料電池功率低、耐大電流充放電性能差和傳 統(tǒng)電容器儲能密度小的缺點。此外，還兼有工作溫度范圍寬，無污染，循環(huán)壽命長，可小型化 等優(yōu)良特性，在介于可充電池和傳統(tǒng)電容器的領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。超級電容器作為備用電 源已廣泛應(yīng)用于照相機、錄像機、移動電話和計算機等電子電器產(chǎn)品中；作為動力電池的備 用電源，能很好的滿足電動汽車在啟動、爬坡、加速時對瞬時功率的要求。電極材料是超級 電容器最重要的組成部分。多孔炭電極材料具有理化性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)電性好、循環(huán)壽命長等優(yōu) 點，是該領(lǐng)域內(nèi)研究最多和前景最好的電極材料。其中，研究較多的多孔炭材料包括活性 碳、活性碳纖維、碳納米管、碳氣凝膠和有序介孔炭等。炭基超級電容器，即雙電層電容器， 是利用多孔炭極化電極/電解液界面形成雙電層實現(xiàn)靜電儲能的。在眾多的多孔炭材料 中，普通活性炭和高比表面積活性炭的電化學(xué)電容性能并不理想，尤其是功率輸出特性較 差。這是因為活性炭含有過多的微孔，并且孔道較長，孔道之間不能很好的連通，電解液離 子在活性炭孔道內(nèi)的擴散阻力太大。其他碳材料，如炭凝膠、納米碳管、有序介孔炭等，雖然 具有較大的孔尺寸，功率輸出特性良好，但這些炭材料缺少微孔，不利于雙電層的形成，因 而比電容值小，比能量較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種超級電容器微孔炭材料的制備方法，所制
備的電極材料不僅具有較高的比電容值，而且具有較好的功率輸出特性。 本發(fā)明是一種超級電容器微孔炭電極材料的制備方法，其特征在于包括如下步
驟 (1)將一定量的沸石分子篩在15(TC下，真空活化6小時，冷卻至室溫，將活化后的 沸石分子篩用呋喃甲醇真空浸漬，過濾，甲苯洗滌，室溫晾干，將晾干后的混合物在8(TC下 放置24小時，然后升溫至150°C， N2保護下放置8小時，得到分子篩/聚呋喃甲醇復(fù)合物；
(2)N2保護下，將分子篩/聚呋喃甲醇復(fù)合物升溫炭化，當(dāng)升至設(shè)定溫度時，立即將 N2流切換為沉積氣體，保持此溫度氣相沉積數(shù)小時得到分子篩/微孔炭復(fù)合物；
(3)將分子篩/微孔炭復(fù)合物分別經(jīng)10wt% HF酸和濃鹽酸充分洗滌兩次，再用去 離子水充分洗滌，烘干，得到微孔炭電極材料。
其中優(yōu)選的技術(shù)方案為 步驟(1)中使用的沸石分子篩為NaY， HY， 13X和P分子篩中的一種，優(yōu)選NaY或HY。呋喃甲醇的體積用量為所使用分子篩總孔容的5倍。 步驟(2)中所述設(shè)定溫度為600-1000。C，優(yōu)選700，800，90(TC。 步驟(2)中使用的沉積氣體為乙腈，丙烯，乙炔或苯中的一種與N2的混合氣體，其
體積比為^ :其它氣體=95 : 5。優(yōu)選乙腈與^的混合氣體。氣相沉積時間為l-4小時。 本發(fā)明以沸石分子篩為模板，采用真空浸漬-氣相沉積兩步法制備了微孔炭材
料。所制備的碳材料為典型的微孔碳材料，比表面積大，孔結(jié)構(gòu)為分子篩的反結(jié)構(gòu)，孔道之
間連通性好，有利于電解液離子的擴散。此類碳材料具有較高的比電容值和較好的功率輸
出特性。
具體實施例方式
實施例1 : 將5g HY分子篩在15(TC下，真空活化6小時。冷卻至室溫，加入8mL呋喃甲醇真 空浸漬，過濾，甲苯洗滌，室溫晾干。將晾干后的混合物在8(TC下放置24小時，然后升溫至 150°C ，N2保護下放置8小時，得到分子篩/聚呋喃甲醇復(fù)合物。N2保護下，將所得復(fù)合物升 溫炭化，當(dāng)升至80(TC時，立即將N2流切換為體積比為5 : 95的乙腈蒸氣和^的混合氣體， 保持此溫度氣相沉積4小時。得到分子篩/微孔炭復(fù)合物。將分子篩/微孔炭復(fù)合物分別 經(jīng)10wt% HF酸和濃鹽酸充分洗滌兩次，再用去離子水充分洗滌，烘干，得到微孔炭電極材 料。N2吸附/脫附測試發(fā)現(xiàn)樣品的BET比表面積為2013m7g，其中微孔表面積為1506m7g， 總孔容1. 28cmVg，平均孔徑2. 55nm。以下可按常規(guī)進行，以制得的多孔炭為電極材料，將 制備的碳材料和聚四氟乙烯(PTFE)乳液按照質(zhì)量比95 : 5均勻混合，調(diào)漿，均勻涂抹在泡 沫鎳集流體上，壓制成電極片，在12(TC下烘干至恒重。將兩片烘干后的電極片與多孔聚丙 烯隔膜在30wt^的KOH溶液中真空充分浸漬后，組裝成三明治結(jié)構(gòu)的電容器單元。在電化 學(xué)工作站上進行恒流充放電測試。測試電壓范圍為0-0. 9V。當(dāng)放電電流為0. 2A/g時，比電 容值為202F/g。當(dāng)放電電流為5A/g時，比電容值為137F/g。
實施例2: 將5g HY分子篩在15(TC下，真空活化6小時。冷卻至室溫，加入8mL呋喃甲醇真 空浸漬，過濾，甲苯洗滌，室溫晾干。將晾干后的混合物在8(TC下放置24小時，然后升溫至 150°C ，N2保護下放置8小時，得到分子篩/聚呋喃甲醇復(fù)合物。N2保護下，將所得復(fù)合物升 溫炭化，當(dāng)升至90(TC時，立即將^流切換為體積比為5 : 95的乙腈蒸氣和^的混合氣體， 保持此溫度氣相沉積4小時。得到分子篩/微孔炭復(fù)合物。將分子篩/微孔炭復(fù)合物分別 經(jīng)10wt% HF酸和濃鹽酸充分洗滌兩次，再用去離子水充分洗滌，烘干，得到微孔炭電極材 料。N2吸附/脫附測試發(fā)現(xiàn)樣品的BET比表面積為1740m7g，其中微孔表面積為1154m7g， 總孔容l. 18cmVg，平均孔徑2.7nm。以下按實施例1所述的常規(guī)方法制備并測試。當(dāng)放電 電流為0. 2A/g時，比電容值為161F/g。當(dāng)放電電流為5A/g時，比電容值為83F/g。
實施例3: 將5g NaY分子篩在15(TC下，真空活化6小時。冷卻至室溫，加入8mL呋喃甲醇真 空浸漬，過濾，甲苯洗滌，室溫晾干。將晾干后的混合物在8(TC下放置24小時，然后升溫至 150°C ，N2保護下放置8小時，得到分子篩/聚呋喃甲醇復(fù)合物。N2保護下，將所得復(fù)合物升 溫炭化，當(dāng)升至80(TC時，立即將N2流切換為體積比為5 : 95的乙腈蒸氣和^的混合氣體，保持此溫度氣相沉積4小時。得到分子篩-微孔炭復(fù)合物。將分子篩/微孔炭復(fù)合物分別 經(jīng)10wt% HF酸和濃鹽酸充分洗滌兩次，再用去離子水充分洗滌，烘干，得到微孔炭電極材 料。N2吸附/脫附測試發(fā)現(xiàn)樣品的BET比表面積為2130m7g，其中微孔表面積為1413m7g， 總孔容1.37cmVg，平均孔徑2.5nm。以下按實施例1所述的常規(guī)方法制備并測試。當(dāng)放電 電流為0. 2A/g時，比電容值為250F/g。當(dāng)放電電流為5A/g時，比電容值為200F/g。
實施例4: 將5g HY分子篩在15(TC下，真空活化6小時。冷卻至室溫，加入8mL呋喃甲醇真 空浸漬，過濾，甲苯洗滌，室溫晾干。將晾干后的混合物在8(TC下放置24小時，然后升溫至 150°C ，N2保護下放置8小時，得到分子篩/聚呋喃甲醇復(fù)合物。N2保護下，將所得復(fù)合物升 溫炭化，當(dāng)升至70(TC時，立即將^流切換為體積比為5 : 95的乙腈蒸氣和^的混合氣體， 保持此溫度氣相沉積2小時。得到分子篩/微孔炭復(fù)合物。將分子篩-微孔炭復(fù)合物分別 經(jīng)10wt% HF酸和濃鹽酸充分洗滌兩次，再用去離子水充分洗滌，烘干，得到微孔炭電極材 料。N2吸附/脫附測試發(fā)現(xiàn)樣品的BET比表面積為3310m7g，其中微孔表面積為2200m7g， 總孔容1. 26cmVg，平均孔徑2. 3nm。以下按實施例1所述的常規(guī)方法制備并測試。測試電 壓范圍為0-0.9V。當(dāng)放電電流為O. 2A/g時，比電容值為200F/g。當(dāng)放電電流為5A/g時， 比電容值為150F/g。
實施例5: 將5g NaY分子篩在15(TC下，真空活化6小時。冷卻至室溫，加入8mL呋喃甲醇真 空浸漬，過濾，甲苯洗滌，室溫晾干。將晾干后的混合物在8(TC下放置24小時，然后升溫至 150°C ，N2保護下放置8小時，得到分子篩/聚呋喃甲醇復(fù)合物。N2保護下，將所得復(fù)合物升 溫炭化，當(dāng)升至70(TC時，立即將^流切換為體積比為5 : 95的乙腈蒸氣和^的混合氣體， 保持此溫度氣相沉積4小時。得到分子篩/微孔炭復(fù)合物。將分子篩/微孔炭復(fù)合物分別 經(jīng)10wt% HF酸和濃鹽酸充分洗滌兩次，再用去離子水充分洗滌，烘干，得到微孔炭電極材 料。N2吸附/脫附測試發(fā)現(xiàn)樣品的BET比表面積為1800m7g，其中微孔表面積為1154m7g， 總孔容1.04cmVg，平均孔徑3.0nm。以下按實施例1所述的常規(guī)方法制備并測試。測試電 壓范圍為0-0.9V。當(dāng)放電電流為O. 2A/g時，比電容值為180F/g。當(dāng)放電電流為5A/g時， 比電容值為150F/g。
權(quán)利要求
一種用于超級電容器微孔炭電極材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)將一定量的沸石分子篩在150℃下，真空活化6小時，冷卻至室溫，將活化后的沸石分子篩用呋喃甲醇真空浸漬，過濾，甲苯洗滌，室溫晾干，將晾干后的混合物在80℃下放置24小時，然后升溫至150℃，N2保護下放置8小時，得到分子篩/聚呋喃甲醇復(fù)合物；(2)N2保護下，將分子篩/聚呋喃甲醇復(fù)合物升溫炭化，當(dāng)升至設(shè)定溫度時，立即將N2流切換為沉積氣體，保持此溫度氣相沉積數(shù)小時得到分子篩/微孔炭復(fù)合物；(3)將分子篩/微孔炭復(fù)合物分別經(jīng)10wt％HF酸和濃鹽酸充分洗滌兩次，再用去離子水充分洗滌，烘干，得到微孔炭電極材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制備方法，其特征在于步驟(1)中所述沸石分子篩為NaY， HY，13X和|3分子篩的一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制備方法，其特征在于步驟(1)中所述呋喃甲醇的體積為沸石分子篩總孔容的i-io倍。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述設(shè)定溫度為 600-1000°C。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述沉積氣體為乙腈，丙 烯，乙炔或苯中的一種與^的混合氣體，沉積氣體組成體積比^ :其它氣體=95 : 5。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述氣相沉積時間為1-8 小時。
全文摘要
本發(fā)明是一種超級電容器微孔炭電極材料的制備方法，主要包括如下步驟(1)將活化后的沸石分子篩用呋喃甲醇真空浸漬，過濾，甲苯洗滌，室溫晾干，在80℃下放置24小時，150℃、N2保護下放置8小時，得到分子篩/聚呋喃甲醇復(fù)合物；(2)N2保護下，分子篩/聚呋喃甲醇復(fù)合物升溫炭化，當(dāng)升至設(shè)定溫度時，立即將N2流切換為沉積氣體，氣相沉積數(shù)小時得到分子篩/微孔炭復(fù)合物；(3)將分子篩/微孔炭復(fù)合物分別經(jīng)HF酸和濃鹽酸洗滌兩次，再用去離子水洗滌，烘干，得到微孔炭電極材料。本發(fā)明制備的微孔炭材料比表面積大，孔結(jié)構(gòu)為分子篩的反結(jié)構(gòu)，孔道之間連通性好。此類碳材料具有較高的比電容值和較好的功率輸出特性。
文檔編號C01B31/02GK101719424SQ20101001182
公開日2010年6月2日 申請日期2010年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月12日
發(fā)明者司維江, 周晉, 李文, 禚淑萍, 邢偉, 高秀麗 申請人:山東理工大學(xué)