一種自支撐電容器電極材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電化學(xué)電容器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及自支撐多孔碳電極材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的逐漸重視和不斷尋求清潔高效的可再生能源利用方式，超級(jí)電容器作為一個(gè)理想的能量存儲(chǔ)器件由于具有高功率密度、快速充放電以及超長(zhǎng)的循環(huán)穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，不僅在混合動(dòng)力汽車等新型能源裝置中具有巨大的潛在的應(yīng)用價(jià)值，在通信、航天、國(guó)防等方面也發(fā)揮著重要的作用，因此成為廣大科研工作者關(guān)注和研發(fā)的對(duì)象。
[0003]電極材料作為超級(jí)電容器的關(guān)鍵組成部分，決定了超級(jí)電容器基本特性。碳材料因其廉價(jià)易得、工作溫度范圍寬、比重小、比表面積可調(diào)、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、化學(xué)穩(wěn)定性高、生產(chǎn)工藝成熟、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)常常被用于超級(jí)電容器電極材料。這種基于碳材料的雙電層電容器，其相對(duì)較低的能量密度，并不能夠滿足實(shí)際需求及應(yīng)用。目前，研究主要集中于提尚碳材料的比表面積以及其調(diào)節(jié)孔徑分布來提尚電容器的電化學(xué)性質(zhì)。其中提尚碳材料比表面積增加雙電層電容；調(diào)節(jié)孔徑分布改善電容器的大電流充放電能力。因此具有高比表面積的多孔碳材料是一種較理想的提高碳材料電化學(xué)性質(zhì)的方法。然而目前所制備的高比表面積的多孔碳材料大多數(shù)的都是粉末狀不具備自支撐特性，這就導(dǎo)致了在電極制作的過程中，需要添加粘結(jié)劑和活性炭進(jìn)行涂漿的方式制作電極。這種制備方式使得電極材料具有較大的接觸電阻以及降低了活性材料和電解液的有效接觸面積，因此限制了這種高比表面積的多孔碳材料的電化學(xué)性質(zhì)的進(jìn)一步提高。
[0004]目前獲得的相關(guān)高比表面積的多孔碳材料，要么是微孔結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)的碳材料，雖然具有高的比表面積，但是比電容并沒有很大程度上的提高;要么涉及到步驟繁瑣、過程復(fù)雜、條件苛刻以及成本高等問題，限制了其在超級(jí)電容器中進(jìn)一步應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種自支撐多孔碳納米材料的制備方法，該電極材料制備方法簡(jiǎn)單。
[0006]—種自支撐電容器電極材料的制備方法，具體是按照以下步驟制備的:
步驟1:配制2g聚丙烯腈和2g聚乙烯吡咯烷酮的N，N-二甲基甲酰胺前驅(qū)體溶液1ml; 步驟2:將泡沫鎳浸漬在上述前驅(qū)體溶液中，使得前驅(qū)體溶液完全充滿泡沫鎳的孔隙中。
[0007]步驟3:將步驟2含有前驅(qū)體溶液的泡沫鎳取出，放入去離子水中并保持一小時(shí)。由于相分離原理，在此過程中獲得泡沫鎳支撐的多孔聚丙烯腈薄膜前驅(qū)體。
[0008]步驟4:將步驟3所得到的泡沫鎳支撐的多孔聚丙烯腈薄膜置于80攝氏度烘箱12h烘干。
[0009]步驟5:將步驟4中所得泡沫鎳支撐的多孔聚丙烯腈薄膜前驅(qū)體置于管式爐中，在惰性氣氛中熱處理，所述處理的溫度為800?1000攝氏度，更優(yōu)選為900攝氏度，升溫速率為5攝氏度每分鐘從室溫升溫到優(yōu)選溫度。
[0010]步驟6:將步驟5中獲得的碳化后的產(chǎn)物浸泡在10mol/L氫氧化鉀水溶液中12小時(shí)后，取出置于80攝氏度供箱12h供干。
[0011]步驟7:將步驟6中得到的帶有氫氧化鉀的碳化產(chǎn)物置于管式爐中，在惰性氣氛中熱處理，所述處理的溫度優(yōu)選為750攝氏度并保持一小時(shí)，升溫速率為3攝氏度每分鐘從室溫升溫到優(yōu)選溫度。
[0012]步驟8:將步驟7所得產(chǎn)物，現(xiàn)用稀鹽酸浸泡，然后用去離子水多次清洗。最終得到泡沫鎳支撐的多孔碳納米電極材料。
[0013]利用本發(fā)明的自支撐電容器電極材料的制備方法，制備的高比表面積的多孔碳材料，組裝成的紐扣電池(CR2025)，電解液為6 M氫氧化鉀水溶液，在0.25 A/g的電流密度下其電池電容值高達(dá)73 F/g，同時(shí)具有非常好的大電流充放電能力，即在30 A/g的電流密度下其比電容仍保持58 F/g，表現(xiàn)出了良好的超級(jí)電容器性能。
[0014]本發(fā)明的自支撐電容器電極材料的制備方法，制備工藝簡(jiǎn)單、流程短、設(shè)備依賴性低、適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
[0015]本發(fā)明的制備方法制得的自支撐電容器的電極材料，能夠用于超級(jí)電容器的電極中，得到性能優(yōu)良的電極，從而提尚該電極材料的超級(jí)電容器的性能。
【附圖說明】
[0016]附圖1為實(shí)施例1制備的自支撐多孔碳電極材料的掃描電鏡照片；
附圖2為實(shí)施例1制備的自支撐多孔碳衍射譜(A)和X射線光電子能譜(B);電極材料的X射線；
附圖3為實(shí)施例1制備的自支撐多孔碳電極材料的氮?dú)馕?脫附等溫性曲線(A)和通過NLDFT方法計(jì)算得到的孔徑分布(B);
附圖4為由實(shí)施例1制備的電極材料組裝成的紐扣電池(CR2025 )在二電極體系下不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線(A);不同電流密度下的恒電流充放電曲線(B)和(C);以及通過不同電流密度下的放電曲線計(jì)算出的電池電容(D)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合代表性的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的自支撐電容器的電極材料的制備方法進(jìn)行說明。并且以下實(shí)施例中所用的試劑均為市售。
[0018]實(shí)施例1
(I)稱取2g聚丙烯腈高分子和2g聚乙烯吡咯烷酮高分子溶解到1ml N，N二甲基甲酰胺溶液中，攪拌24h至均勻透明。
[0019](2)將干凈的泡沫鎳放入步驟(I)中獲得的前驅(qū)體溶液中，完全浸沒使得前驅(qū)體溶液完全充滿泡沫鎳的孔隙中。
[0020](3)將步驟(2)中帶有前驅(qū)體溶液的泡沫鎳取出放入去離子水中保持一小時(shí)。
[0021](4)將步驟(3)所得泡沫鎳支撐的多孔聚丙烯薄膜前驅(qū)體置于80攝氏度烘箱12h烘干。
[0022](5)將步驟(4)獲得的前驅(qū)體置于管式爐中，在惰性氣氛中熱處理，所述處理的溫度為900攝氏度，升溫速率為5攝氏度每分鐘從室溫升溫到優(yōu)選溫度，然后冷卻到室溫。
[0023](6)將步驟(5)中獲得的碳化后的產(chǎn)物浸泡在10 mol/L氫氧化鉀水溶液中12小時(shí)后，取出置于80攝氏度供箱12h供干。
[0024](7)將步驟(6)中得到的帶有氫氧化鉀的碳化產(chǎn)物置于管式爐中，在惰性氣氛中熱處理，所述處理的溫度優(yōu)選為750攝氏度并保持一小時(shí)，升溫速率為3攝氏度每分鐘從室溫升溫到優(yōu)選溫度。
[0025](8)將步驟(7)中得到的產(chǎn)物，現(xiàn)用稀鹽酸浸泡，然后用去離子水多次清洗，烘干，最終得到泡沫鎳支撐的多孔碳電極材料。
[0026]本實(shí)施例制備的自支撐電容器電極材料，具有高的比表面積，豐富的、互相連通的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，從而使得自支撐的超級(jí)電容器電極材料組裝成的對(duì)稱型超級(jí)電容器具有高電容和高倍率特性，從本實(shí)施例制備的超級(jí)電容器電極材料循環(huán)伏安曲線中可以看出其曲線接近于矩形以及恒流充放電曲線呈線性三角形，都說明其可逆性較好，具有理想的超級(jí)電容性質(zhì)。
[0027]實(shí)施例2:本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是:步驟(I)中稱取聚丙烯腈高分子和聚乙烯吡咯烷酮高分子質(zhì)量分別為1.0g和1.0g。其他與具體實(shí)施例1相同。
[0028]實(shí)施例3:本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是:步驟(I)稱取聚丙烯腈高分子和聚乙烯吡略燒酮高分子質(zhì)量分別為1.0g和1.5g。其他與具體實(shí)施例1相同。
[0029]實(shí)施例4:本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是:步驟(I)稱取聚丙烯腈高分子和聚乙烯吡咯烷酮高分子質(zhì)量分別為I.0g和2.0g。其他與具體實(shí)施例1相同。
[0030]實(shí)施例5:本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是:步驟(I)稱取聚丙烯腈高分子和聚乙烯吡略燒酮高分子質(zhì)量分別為1.5g和1.0g。其他與具體實(shí)施例1相同。
[0031]實(shí)施例6:本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是:步驟(I)稱取聚丙烯腈高分子和聚乙烯吡略燒酮高分子質(zhì)量分別為1.5g和1.5g。其他與具體實(shí)施例1相同。
[0032]實(shí)施例7:本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是:步驟(I)稱取聚丙烯腈高分子和聚乙烯吡略燒酮高分子質(zhì)量分別為1.5g和2.0g。其他與具體實(shí)施例1相同。
[0033]實(shí)施例8:本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是:步驟(I)稱取聚丙烯腈高分子和聚乙烯吡咯烷酮高分子質(zhì)量分別為2.0g和1.0g。其他與具體實(shí)施例1相同。
[0034]實(shí)施例9:本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是:步驟(I)稱取聚丙烯腈高分子和聚乙烯吡略燒酮高分子質(zhì)量分別為2.0g和1.5g。其他與具體實(shí)施例1相同。
[0035]實(shí)施例10:本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是:步驟(5)中處理溫度為800攝氏度。其他與具體實(shí)施例1相同。
[0036]實(shí)施例11:本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是:步驟(5)中處理溫度為1000攝氏度。其他與具體實(shí)施例1相同。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種自支撐電容器電極材料的制備方法，其特征是具體步驟如下: 稱取2g聚丙烯腈高分子和2g聚乙烯吡咯烷酮高分子溶解到1ml N，N二甲基甲酰胺溶液中，攪拌24h至均勻透明； 將干凈的泡沫鎳放入步驟(I)中獲得的前驅(qū)體溶液中，完全浸沒使得前驅(qū)體溶液完全充滿泡沫鎳的孔隙中； 將步驟(2)中帶有前驅(qū)體溶液的泡沫鎳取出放入去離子水中保持一小時(shí)； 將步驟(3)所得泡沫鎳支撐的多孔聚丙烯薄膜前驅(qū)體置于80攝氏度烘箱12h烘干；將步驟(4)獲得的前驅(qū)體置于管式爐中，在惰性氣氛中熱處理，溫度為800-1000攝氏度，升溫速率為5攝氏度每分鐘，然后冷卻到室溫； 將步驟(5 )中獲得的碳化后的產(chǎn)物浸泡在1 mo I /L氫氧化鉀水溶液中12小時(shí)后，取出置于80攝氏度烘箱12h烘干； 將步驟(6)中得到的帶有氫氧化鉀的碳化產(chǎn)物置于管式爐中，在惰性氣氛中熱處理，溫度為750攝氏度保持一小時(shí)，升溫速率為3攝氏度每分鐘； 將步驟(7)中得到的產(chǎn)物，用稀鹽酸浸泡，然后用去離子水多次清洗，烘干，最終得到自支撐電容器電極材料。2.按權(quán)利要求1所述的方法制備的自支撐電容器電極材料。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種自支撐超級(jí)電容器電極材料的制備方法。先將泡沫鎳浸漬在不同濃度的聚丙烯腈/聚乙烯吡咯烷酮的N-N二甲基甲酰胺溶液中，然后再取出放入去離子水中，形成泡沫鎳支撐的多孔聚丙烯腈前驅(qū)體薄膜。將該泡沫鎳支撐的多孔聚丙烯腈前驅(qū)體置于惰性氣氛中，800攝氏度-1000攝氏度碳化處理以及750攝氏度氫氧化鉀激活處理，即可得到高比表面積的自支撐的泡沫鎳多孔碳納米電極材料。該電極材料除了具有高的比表面積外，其還具有非常豐富的互相連接的多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出非常好的電化學(xué)性質(zhì)。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單、流程短、設(shè)備依賴性低,適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
【IPC分類】H01G11/86, H01G11/24
【公開號(hào)】CN105655153
【申請(qǐng)?zhí)枴?br>【發(fā)明人】邵長(zhǎng)路, 苗富軍, 李興華, 張昕彤, 劉益春
【申請(qǐng)人】東北師范大學(xué)
【公開日】2016年6月8日
【申請(qǐng)日】2016年1月6日