超级电容器用复合电极材料及其制备方法和超级电容器技术

本发明专利技术公开了一种超级电容器用复合电极材料，属于电极材料技术领域。它包括六方氮化硼泡沫、氧化石墨烯薄膜和聚苯胺纳米纤维，所述氧化石墨烯薄膜均匀包覆在六方氮化硼泡沫表面，相互连接形成一体式氮化硼‑氧化石墨烯泡沫材料，所述聚苯胺纳米纤维附着在氮化硼‑氧化石墨烯泡沫材料表面生成同轴一维的阵列结构。本发明专利技术还提供了上述电极材料的制备方法以及采用该电极材料制成的超级电容器，本发明专利技术提供的超级电容器用复合电极材料具有高比容量和高稳定性的特性，有着广泛的实际应用价值与工业生产前景。

Composite electrode material for super capacitor, preparation method thereof and super capacitor

The invention discloses a composite electrode material for a super capacitor, belonging to the technical field of electrode materials. It consists of six boron nitride foam, graphene oxide films and polyaniline nanofibers, the graphene oxide film evenly coated in six boron nitride foam surface, connected to each other to form an integrated boron nitride graphene oxide foams, the polyaniline nanofibers attached to the array structure of boron nitride graphite oxide to produce olefin foam the surface of coaxial one-dimensional materials. The invention also provides a preparation method of the electrode material and the use of super capacitor made of the electrode material, composite electrode materials with high specific capacity and high stability characteristics for super capacitor provided by the invention has practical application value and wide prospect of industrial production.

【技术实现步骤摘要】
超级电容器用复合电极材料及其制备方法和超级电容器
本专利技术涉及电极材料领域，具体来说，涉及一种超级电容器的复合电极材料及其制备方法以及由上述电极材料制成的超级电容器。
技术介绍
超级电容器，一种介于普通电容器和二次电池之间的快速充电、放电的储能器件。近年来，超级电容器作为一种新型的储能设备，以其功率密度大，循环寿命长，在储能技术上扮演着重要的角色。影响超级电容器的性能主要在电极材料上，因此一种具有高导电率高可逆性的电极材料成为了研究的重点。虽然相关报道中已有各种超级电容器的模型出现，然而由于电极材料发展迅速，新型的纳米复合材料通过协同作用可产生更为优越的电容性能，这都为新一代超级电容器的研制开辟了广阔的前景。模板导向法制备三维石墨烯基电极材料的研究比较多，常见的方法有固体模板法和冰模板法。利用固体模板法制备的电极材料比如有泡沫镍（WangJ,ChaoDL,LiuJL,etal.Ni3S2@MoS2core/shellnanorodarraysonNifoamforhigh-perfor-manceelectrochemicalenergystorage[J].NanoEnergy2014,7(7):151），十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)（YangS,FengX,WangL,etal.Graphene-BasedNanosheetswithaSandwichStructure[J].Angewand-teChemie,2010,122(28)），聚苯乙烯球（PS）（WangSY,MaL,GanMY,etal.Free-standing3Dgraphene/polyanilinecompositefilmelectrodesforhigh-performancesupercapacitors[J].JournalofPowerSources，2015,299(12):347）和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，这些模板都需要经过模板去除步骤，而且时间长、溶剂消耗大，不环保。冰模板法制备多层次孔状的三维石墨烯框架，层层孔洞间的协同作用有利于其在储能器件中的应用。Vinod等（VinodS,TiwaryCS,Autreto1PAD,etal.Low-densitythree-dimensionalfoamusingself-reinforcedhybridtwo-dimensionalatomiclayers[J],NatureCommunications,2014,5:4541）将一定量的氧化石墨烯与六方氮化硼分别超声处理后，再冷冻干燥48h，最终得到三维的氧化石墨烯-氮化硼材料，这种材料与传统的低密度纳米泡沫材料相比，具有更好的机械强度和热稳定性，扩大了其在储能器件材料中的应用范围，但是其制备方法需要在极低的条件下进行，比如零下40℃，而且冷冻时间较长，制备成本比较高。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种超级电容器用复合电极材料。为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种超级电容器用复合电极材料，包括六方氮化硼泡沫、氧化石墨烯薄膜和聚苯胺纳米纤维，所述氧化石墨烯薄膜均匀包覆在六方氮化硼泡沫表面，相互连接形成一体式氮化硼-氧化石墨烯泡沫材料，所述聚苯胺纳米纤维附着在氮化硼-氧化石墨烯泡沫材料表面生成同轴一维的阵列结构。六方氮化硼、石墨烯和聚苯胺具有如下特性：氮化硼的大部分性能比碳素材料更优，对于六方氮化硼，它的摩擦系数很低、高温稳定性较好、耐热震性较好、强度很高、导热系数较高、膨胀系数较低、耐腐蚀且可透微波或透红外线。石墨烯具有超高的载流子迁移率、电导率、热导率、透光性、强度等诸多优异特性。聚苯胺价格低，电容性高，合成步骤简单，环境稳定性好，氧化还原反应可逆，是最具有前途的导电聚合物之一，也是一种有吸引力的应用于超级电容器的电极材料。采用上述技术方案的超级电容器用复合电极材料，石墨烯与氮化硼均具有较大的比表面积，将二者复合，制备的一种三维褶皱状的泡沫体材料是沉积导电高分子或者过渡金属氧化物的理想三维载体，其既利用了石墨烯的高导电率，又利用六方氮化硼比表面积大，稳定性好耐腐蚀的特点，前者有利于减少导电高分子或者过渡金属氧化物在膨胀和收缩而引起的体积的改变，同时有利于电解液离子的扩散，后者将其作为三维结构模板与氧化石墨烯复合，形成比表面积大的三维褶皱状的泡沫体材料，结合PANI独特的电容特性，设计出超级电容器用复合电极材料。上述聚苯胺纳米纤维直径约为30~50nm，不但可以增大与电解液的接触面积，抑制体积的膨胀，有助于缩短离子的扩散路径，并且有利于提高电极材料的利用率。优选地，所述氧化石墨烯薄膜、六方氮化硼泡沫和聚苯胺纳米纤维的质量百分比为1：1~10：8~50。更优选地，所述氧化石墨烯薄膜、六方氮化硼泡沫和聚苯胺纳米纤维的质量百分比为1：1~5：10~30。本专利技术的第二目的是提供上述超级电池用复合电极材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：步骤1：六方氮化硼薄膜将氮化硼粉末溶于二甲基甲酰胺中，超声处理直至分散均匀，水浴温度保持在20~30℃，超声处理过后，将溶液进行离心分离、真空过滤、分别用去离子水、无水乙醇洗涤，然后干燥，制得六方氮化硼；步骤2：六方氮化硼-氧化石墨烯二元复合物的制取将质量比为1:1~10:1的氧化石墨烯和六方氮化硼分别在去离子水中超声处理30~40min，然后混合形成7~15mg/ml的分散系溶液，将反应助剂间苯二酚、戊二醛和四硼酸钠五水合物添加到氧化石墨烯-氮化硼的分散系溶液中，超声处理2~3h，冷冻干燥20~48h，制得六方氮化硼-氧化石墨烯（多孔状）泡沫体；步骤3：六方氮化硼-氧化石墨烯-聚苯胺的制备将步骤2中制得的六方氮化硼-氧化石墨烯泡沫体添加到浓度为1mol/L的HClO4溶液中，超声处理直至分散均匀，然后加入适量乙醇（乙醇与反应溶液的体积比为1:3~8）到反应溶液中，再加入适量苯胺单体溶液并在-10℃~10℃搅拌30~40min使其形成统一的混合剂，所述六方氮化硼-氧化石墨烯泡沫体与苯胺单体的质量比为1：4~25；将氧化剂（NH4）2S2O8(APS)溶解在HClO4中，冷却到0℃，得到氧化剂溶液，往混合剂中快速添加上述冷却的氧化剂溶液，在0℃条件下搅拌反应12~24h，得到绿色絮状沉淀物，然后并用HClO4（0.1mol/L）溶液和乙醇洗涤，干燥12~24h制得复合电极材料。进一步限定，所述步骤1中离心分离过程的转速为1000~2500r/min，离心时间为10~60min。本专利技术目的在于克服现有三维石墨烯基复合材料固有模板除去步骤复杂，引入多种溶剂等问题，而且采用冷冻冰模板法先将氮化硼与石墨烯形成三维褶皱复合泡沫材料，然后在材料表面一维生长聚苯胺纳米纤维阵列，得到三者的三维复合材料，将有利于其复合材料在超级电容器上的应用，该制备方法首次将六方氮化硼作为三维模板用于超级电容器材料制备领域。相比于Vinod等文献来说，该制备方法可以在-40~-20℃之间，而且冷冻时间大大减少，节约了成本。本专利技术的第三目的是提供一种超级电容器，该超级电容器的电极由上述超级电容器用复合电极材料制成。本专利技术相比现有技术具有如下有益效果：该复合电极材料中，氮化硼/氧化石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超级电容器用复合电极材料，其特征在于：包括六方氮化硼泡沫、氧化石墨烯薄膜和聚苯胺纳米纤维，所述氧化石墨烯薄膜均匀包覆在六方氮化硼泡沫表面，相互连接形成一体式氮化硼‑氧化石墨烯泡沫材料，所述聚苯胺纳米纤维附着在氮化硼‑氧化石墨烯泡沫材料表面生成同轴一维的阵列结构。

【技术特征摘要】
1.一种超级电容器用复合电极材料，其特征在于：包括六方氮化硼泡沫、氧化石墨烯薄膜和聚苯胺纳米纤维，所述氧化石墨烯薄膜均匀包覆在六方氮化硼泡沫表面，相互连接形成一体式氮化硼-氧化石墨烯泡沫材料，所述聚苯胺纳米纤维附着在氮化硼-氧化石墨烯泡沫材料表面生成同轴一维的阵列结构。2.根据权利要求1所述的超级电容器用复合电极材料，其特征在于：所述氧化石墨烯薄膜、六方氮化硼泡沫和聚苯胺纳米纤维的质量百分比为1：1~10：8~50。3.根据权利要求2所述的超级电容器用复合电极材料，其特征在于：所述氧化石墨烯薄膜、六方氮化硼泡沫和聚苯胺纳米纤维的质量百分比为1：1~5：10~30。4.一种超级电容器用复合电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：六方氮化硼薄膜将氮化硼粉末溶于二甲基甲酰胺中，超声处理直至分散均匀，水浴温度保持在20~30℃，超声处理过后，将溶液进行离心分离、真空过滤、分别用去离子水、无水乙醇洗涤，然后干燥，制得六方氮化硼；步骤2：六方氮化硼-氧化石墨烯二元复合物的制取将质量比为1:1~10:1的氧化石墨烯和六方氮化硼分别在去离子水中超声处理30~40min，然后混合形成7~15mg/ml的...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅深娜，马利，甘孟瑜，陈红冲，张均，
申请(专利权)人：重庆工业职业技术学院，
类型：发明
国别省市：重庆,50