專利名稱：有機高分子超級電容器電極材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將工程塑料聚酰亞胺應(yīng)用于超級電容器電極材料的技術(shù)。
背景技術(shù)：
超級電容器由于具有傳統(tǒng)電池?zé)o法比擬的高功率密度、長循環(huán)壽命和無污染等特點，有希望成為本世紀新型的綠色電源。電極材料是超級電容器最為關(guān)鍵的部分，也是決定其性能的主要因素，因此開發(fā)具有優(yōu)異性能的電極材料是超級電容器研究中最核心的課題。

有機電極材料通?？梢灾苯踊蜷g接的通過普通物質(zhì)來合成，是Armand等最近提出來的可以解決資源問題和環(huán)境問題的關(guān)鍵技術(shù)。導(dǎo)電聚合物是一類重要的超級電容器有機電極材料。近年來，通過大量先進的合成技術(shù)的實施，導(dǎo)電聚合物及其復(fù)合物的電化學(xué)性能得到了較大的提升，其中聚苯胺和聚吡咯等有機電極材料已經(jīng)逐步實現(xiàn)商業(yè)化。聚酰亞胺是一類重要但很常規(guī)的工程塑料，由于其高度絕緣性，很少用于電極材料。然而，聚酰亞胺屬于芳?；衔?，可以進行可逆的電化學(xué)氧化與還原。它含有的可發(fā)生快速可逆氧化還原反應(yīng)的電化學(xué)活性中心酰胺基團和可以穩(wěn)定反應(yīng)產(chǎn)物的骨架結(jié)構(gòu)，具有應(yīng)用于超級電容器進行能量的儲存與轉(zhuǎn)換的基本條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種有機高分子超級電容器電極材料及其制備方法。本發(fā)明是有機高分子超級電容器電極材料及其制備方法，其電極材料的成分為具有多種骨架結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電納米銅粉摻雜的聚酰亞胺；納米銅粉的粒徑在1-100 nm之間；電極比容量在5 mA/cm2的電流密度下為57 80 F/g。有機高分子超級電容電極材料的的制備方法，其步驟為:
(1)溶液A的制備:將二元酸酐與二胺按照摩爾比廣2:廣2的比例溶于有機溶劑中得到A溶液；
(2)溶液B的制備:將納米銅粉按照0.005 0.01 mo I比50 ml的比例分散于有機溶劑中，并經(jīng)過30 min攪拌、超聲得到溶液B ；
(3)然后將溶液A和溶液B快速混合，超聲30min,在攪拌條件，在有機溶劑中回流反應(yīng)6^8 h，反應(yīng)溫度為20(T210 °C ;得到的產(chǎn)物經(jīng)過濾、乙醇洗滌，在烘箱中120 °C干燥1(Γ 2h得到納米銅摻雜的聚酰胺酸；
(4)將步驟(3)得到的聚酰胺酸在惰性氣體保護下，30(T320°C熱處理6 I h得到粉末狀黃色納米銅摻雜的聚酰亞胺電極材料。本發(fā)明的有益之處是將一種工程塑料聚酰亞胺應(yīng)用于超級電容器，可望制得廉價、綜合性能優(yōu)良、綠色環(huán)保的有機電極材料。將制備所得的電極材料進行電化學(xué)測試:將活性物質(zhì)/導(dǎo)電石墨=6:4的比例壓在不銹鋼網(wǎng)，再將壓好的片在60 °C干燥1(T12 h后，在酸性電解質(zhì)中用三電極體系測其電化學(xué)性能。將這種納米銅摻雜聚酰亞胺制得的有機電極材料，在酸性電解質(zhì)中用三電極體系測其循環(huán)伏安曲線，在5 mV/s的掃描速率下，在0.31 V電位處有氧化峰，在0.22電位處有還原峰，說明此電極材料是比較典型的贗電容儲能。從5 mA/cm2電流密度下的恒流充放電曲線得出其比電容為57 80 F/g。


圖1是按照本發(fā)明，實施例1所得到的粉末狀納米銅摻雜的聚酰亞胺的電化學(xué)循環(huán)伏安曲線，圖中橫坐標是電壓，單位是伏特，縱坐標是電流，單位是安培；圖2是本發(fā)明實施例I所得到的粉末狀納米銅摻雜的聚酰亞胺的恒流充放電曲線，圖中橫坐標是時間，單位是秒，縱坐標是電壓，單位是伏特。
具體實施例方式本發(fā)明是有機高分子超級電容器電極材料及其制備方法，其電極材料的成分為具有多種骨架結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電納米銅粉摻雜的聚酰亞胺；納米銅粉的粒徑在1-100 nm之間；電極比容量在5 mA/cm2的電流密度下為57 80 F/g。有機高分子超級電容電極材料的的制備方法，其步驟為:
(1)溶液A的制備:將二元酸酐與二胺按照摩爾比廣2:廣2的比例溶于有機溶劑中得到A溶液；
(2)溶液B的制備:將納米銅粉按照0.005 0.01 mo I比50 ml的比例分散于有機溶劑中，并經(jīng)過30 min攪拌、超聲得到 溶液B ；
(3)然后將溶液A和溶液B快速混合，超聲30min,在攪拌條件，在有機溶劑中回流反應(yīng)6^8 h，反應(yīng)溫度為20(T210 °C ;得到的產(chǎn)物經(jīng)過濾、乙醇洗滌，在烘箱中120 °C干燥1(Γ 2h得到納米銅摻雜的聚酰胺酸；
(4)將步驟(3)得到的聚酰胺酸在惰性氣體保護下，30(T320°C熱處理6 I h得到粉末狀黃色納米銅摻雜的聚酰亞胺電極材料。下面通過更為具體的實施例進一步展開本發(fā)明。實施例1:
(1)溶液A的制備:分別將0.01 mo I均苯四甲酸二酸酐和0.01 mo I對苯二胺分別溶于100 ml NMP有機溶劑中得到A溶液；
(2)溶液B的制備:將納米銅粉0.01mol分散于50 ml NMP有機溶劑中，并經(jīng)過30 min攪拌、超聲得到溶液B ;
(3)然后將溶液A和溶液B快速混合，超聲30min，在攪拌條件，在NMP中回流反應(yīng)6h，反應(yīng)溫度為210 °C。得到的產(chǎn)物經(jīng)過濾、乙醇洗滌，在烘箱中120 °C干燥12 h得到納米銅摻雜的聚酰胺酸；
(4)將步驟(3)得到的聚酰胺酸在氬氣保護下，3000C熱處理8 h得到粉末狀黃色納米銅摻雜的聚酰亞胺。將所得的電極材料進行電化學(xué)測試:將活性物質(zhì)/導(dǎo)電石墨=6:4的比例壓在不銹鋼網(wǎng)，再將壓好的片在60 °C干燥12 h后，在酸性電解質(zhì)中用三電極體系測其電化學(xué)性能，得到比容量為80 F/g。其循環(huán)伏安曲線和恒流充放電曲線參照附圖1。實施例2:
(1)溶液A的制備:分別將0.01 mol 1，4，5，8-萘四羧酸二酐和0.01 mol對苯二胺分別溶于100 ml NMP有機溶劑中得到A溶液；
(2)溶液B的制備:將納米銅粉0.005 mol分散于50 ml NMP有機溶劑中，并經(jīng)過30min攪拌、超聲得到溶液B ；
(3)然后將溶液A和溶液B快速混合，超聲30min，在攪拌條件下，在DMF中回流反應(yīng)8 h，反應(yīng)溫度為200 °C。得到的產(chǎn)物經(jīng)過過濾、乙醇洗滌，在烘箱中120 °C干燥12 h得到納米銅摻雜的聚酰胺酸；
(4)將步驟(3)得到的聚酰胺酸在氮氣保護下，320°C熱處理6 h得到粉末狀棕色納米銅摻雜的聚酰亞胺。將所得電極材料進行電化學(xué)測試:將活性物質(zhì)/導(dǎo)電石墨=6:4的比例壓在不銹鋼網(wǎng)，再將壓好的片在60 °C干燥12 h后，在酸性電解質(zhì)中用三電極體系測其電化學(xué)性能，得到比容量為64 F/g。實施例3:
(1)溶液A的制備:分別將0.005 mol均苯四甲酸二酸酐和0.01 mol對苯二胺分別溶于100 ml NMP有機溶劑中得到A溶液；
(2)溶液B的制備:將納米銅粉0.005mol分散于50ml NMP有機溶劑中，并經(jīng)過30 min攪拌、超聲得到溶液B ;
(3)然后將溶液A和溶液B快速混合，超聲30min，在攪拌條件下，在NMP中回流反應(yīng)8 h，反應(yīng)溫度為200 °C。得到的產(chǎn)物經(jīng)過濾、乙醇洗滌，在烘箱中120 °C干燥12 h得到納米銅摻雜的聚酰胺酸；
(4)將步驟(3)得到的聚酰胺酸在氮氣保護下，320°C熱處理6 h得到粉末狀納米銅摻雜的聚酰亞胺。將所得的電極材料進行電化學(xué)測試:將活性物質(zhì)/導(dǎo)電石墨=6:4的比例壓在不銹鋼網(wǎng)，再將壓好的片在60 °C干燥12 h后，在酸性電解質(zhì)中用三電極體系測其電化學(xué)性能，得到比容量為57 F/g。實施例(4):
(1)溶液A的制備:分別將0.01mol均苯四甲酸二酸酐和0.005 mol對苯二胺分別溶于100 ml DMF有機溶劑中得到A溶液；
(2)溶液B的制備:將納米銅粉0.01mol分散于50 ml DMF有機溶劑中，并經(jīng)過30 min攪拌、超聲得到溶液B ;
(3)然后將溶液A和溶液B快速混合，超聲30min，在攪拌條件下，在DMF中回流反應(yīng)6 h，反應(yīng)溫度為210 °C。得到的產(chǎn)物經(jīng)過過濾、乙醇洗滌，在烘箱中120 °C干燥12 h得到納米銅摻雜的聚酰胺酸；
(4)將步驟(3)得到的聚酰胺酸在氬氣保護下，300°C熱處理8 h得到粉末狀納米銅摻雜的聚酰亞胺。將所得電極材料進行電化學(xué)測試:將活性物質(zhì)/導(dǎo)電石墨=6:4的比例壓在不銹鋼網(wǎng)，再將壓好的片在60 °C干燥12 h后，在酸性電解質(zhì)中用三電極體系測其電化學(xué)性能，得到比容量為72 F/g。實施例5:
(1)溶液A的制備:分別將0.01 mol均苯四甲酸二酸酐和0.01 mol乙二胺分別溶于100 ml NMP有機溶劑中得到A溶液；
(2)溶液B的制備:將納米銅粉0.01 mol分散于50ml NMP有機溶劑中，并經(jīng)過30 min攪拌、超聲得到溶液B ;
(3)然后將溶液A和溶液B快速混合，超聲30min，在攪拌條件下，在DMF中回流反應(yīng)
6h，反應(yīng)溫度為210 °C。得到的產(chǎn)物經(jīng)過過濾、乙醇洗滌，在烘箱中120 °C干燥12 h得到納米銅摻雜的聚酰胺酸；
(4)將步驟(3)得到的聚酰胺酸在氬氣保護下，300°C熱處理8 h得到粉末狀納米銅摻雜的聚酰亞胺。將所得電極材料進行電化學(xué)測試:將活性物質(zhì)/導(dǎo)電石墨=6:4的比例壓在不銹鋼網(wǎng)，再將壓好的片在60 °C干燥12 h后，在酸性電解質(zhì)中用三電極體系測其電化學(xué)性能，得到比容量為76 F/g。
權(quán)利要求
1.有機高分子超級電容器電極材料，其特征在于成分為具有多種骨架結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電納米銅粉摻雜的聚酰亞胺；納米銅粉的粒徑在1-100 nm之間；電極比容量在5 mA/cm2的電流密度下為57 80 F/g。
2.有機高分子超級電容電極材料的的制備方法，其步驟為: (1)溶液A的制備:將二元酸酐與二胺按照摩爾比廣2:廣2的比例溶于有機溶劑中得到A溶液； (2)溶液B的制備:將納米銅粉按照0.005 0.01 mo I比50 ml的比例分散于有機溶劑中，并經(jīng)過30 min攪拌、超聲得到溶液B ； (3)然后將溶液A和溶液B快速混合，超聲30min,在攪拌條件，在有機溶劑中回流反應(yīng)6^8 h，反應(yīng)溫度為20(T210 °C ;得到的產(chǎn)物經(jīng)過濾、乙醇洗滌，在烘箱中120 °C干燥1(Γ 2h得到納米銅摻雜的聚酰胺酸； (4)將步驟(3)得到的聚酰胺酸在惰性氣體保護下，30(T320°C熱處理6 I h得到粉末狀黃色納米銅摻雜的聚酰亞胺電極材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的有機高分子超級電容電極材料的的制備方法，其特征在于二元酸酐為1，4，5，8-萘四羧酸二酐，或者均苯四甲酸二酸酐。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的有機高分子超級電容電極材料的的制備方法，其特征在于二胺為對苯二胺，或者乙二胺。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的有機高分子超級電容電極材料的的制備方法，其特征在于有機溶劑為NMP，或者DMF。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的有機高分子超級電容電極材料的的制備方法，其特征在于惰性氣體為氮氣，或者氬氣。
全文摘要
有機高分子超級電容器電極材料及其制備方法，其電極材料的成分為具有多種骨架結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電納米銅粉摻雜的聚酰亞胺；納米銅粉的粒徑在1-100nm之間；電極比容量在5mA/cm2的電流密度下為57~80F/g；其方法的步驟為(1)將二元酸酐與二胺溶于有機溶劑中得到A溶液；(2)將納米銅粉分散于有機溶劑，并經(jīng)攪拌、超聲得到溶液B；(3)將溶液A和溶液B快速混合，超聲30min，在攪拌條件，在有機溶劑中回流反應(yīng)；得到的產(chǎn)物經(jīng)過濾、乙醇洗滌，在烘箱中干燥得到納米銅摻雜的聚酰胺酸；(4)將得到的聚酰胺酸在惰性氣體保護下，300~320℃熱處理6~8h得到粉末狀黃色納米銅摻雜的聚酰亞胺電極材料。
文檔編號H01G11/48GK103151180SQ20131009396
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月21日
發(fā)明者冉奮, 趙磊, 康龍 申請人:蘭州理工大學(xué)