一种高比电容的碳组合材料及其制备方法和应用技术

本申请公开了一种高比电容的碳组合材料及其制备方法和应用。本申请的高比电容的碳组合材料，由原子掺杂量为10％‑25％的第一组分碳材料，与原子掺杂量为0％‑10％的第二组分碳材料混合而成。本申请的碳组合材料中，第一组分碳材料的原子掺杂量相对较高，具有高赝电容的特点，而第二组分碳材料的原子掺杂量相对较低，具有较好的导电性，两者优化互补；因此，将本申请的碳组合材料制成极片，在脱嵌锂的过程中，第二组分碳材料不仅提供了导电网络而且可以提供一部分赝电容，第一组分碳材料在导电网络里面更有助于掺杂原子赝电容的发挥，两种碳材料相互作用，从而提高了电极材料的整体性能。

Carbon composite material with high specific capacitance and preparation method and application thereof

The present invention discloses a high specific capacitance carbon composite material, a preparation method and an application thereof. The combination of carbon materials with high specific capacitance of this application, the atom doping amount is 10% 25% first component of carbon materials, and doping of second group was 0% 10% carbon mixture of materials. The application of carbon composite materials, the first component of carbon atom doping amount is relatively high, it has the characteristics of high pseudo capacitance, doping and the second component of carbon materials is relatively low, has good electrical conductivity, therefore, two complementary optimization; the carbon composite material of the application made of pole piece. In the process of lithium intercalation in the second groups not only provides a conductive network and can provide a part of pseudocapacitive carbon material, the first component of carbon materials in the conductive network inside helps doping pseudocapacitive play, two kinds of carbon materials from the interaction, and improves the overall performance of electrode materials.

【技术实现步骤摘要】
一种高比电容的碳组合材料及其制备方法和应用
本申请涉及碳电极材料领域，特别是涉及一种高比电容的碳组合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
超级电容器凭借其快速的锂离子传输性能得到了广泛的研究。和锂离子二次电池相比，超级电容具有超高的功率密度和循环稳定性，更是受到学术界和工业界的青睐。根据储锂机制超级电容器可以分为两类，双电层电容和赝电容。碳材料因导电性高、比表面积大，而且碳的前驱体原料丰富等优势，被广泛应用于超级电容器。为了获得高的电容值，碳电极材料必须具备三个特点，第一高比表面积，第二合适的孔径分布，第三杂原子掺杂。其中，高比表面积和孔径分布，已经有相当多的研究，例如通过微波法、煅烧法、酸碱腐蚀法等制备高比表面积、孔径分布均匀的碳材料。对于原子掺杂方面，现有的研究显示，原子掺杂可以增加碳材料的赝电容，但是会降低其导电性，因此，必须要在导电性和赝电容之间寻求平衡，以获得综合性能良好的碳电极材料。
技术实现思路
本申请的目的是提供一种新的高比电容的碳组合材料及其制备方法和应用。本申请采用了以下技术方案：本申请的一方面公开了一种高比电容的碳组合材料，该碳组合材料由原子掺杂量为10％-25％的第一组分碳材料，与原子掺杂量为0％-10％的第二组分碳材料混合而成。需要说明的是，本申请中，第一组分碳材料由于具有比较高含量的原子掺杂，其赝电容相对较高，但其导电性差；第二组分碳材料的原子掺杂量低，导电性较好。本申请的碳组合材料，其关键就在于将高赝电容的第一组分碳材料，与高导电性的第二组分碳材料混合，将两种具有不同优势的碳材料混合，使其优势互补，进而提高了碳组合材料整体的比电容值。其中，第二组分碳材料中原子掺杂的量为0％-10％，当原子掺杂的量为0时，表示采用的是没有进行原子掺杂的碳材料。还需要说明的是，第二组分碳材料的原子掺杂的量为10％时，第一组分碳材料的原子掺杂的量是大于10％的，也就是说，第一组分碳材料和第二组分碳材料两者的原子掺杂的量不同。优选的，原子掺杂可重复的选自氮掺杂、氧掺杂、硫掺杂和磷掺杂的至少一种。优选的，第一组分碳材料与第二组分碳材料的重量比为2:8-8:2。需要说明的是，根据本申请的专利技术思路，只要将高原子掺杂的第一组分碳材料和低原子掺杂的第二组分碳材料混合，即可获得比电容改善的碳组合材料；但是，考虑到比电容改善效果，本申请优选的方案中特别限定第一组分碳材料与第二组分碳材料的重量比为2:8-8:2。本申请的另一面公开了本申请的碳组合材料在超级电容器中的应用。本申请的另一面公开了一种由本申请的碳组合材料制备的极片。本申请的另一面公开了一种采用本申请的极片的超级电容器。可以理解，本申请提供的高比电容的碳组合材料，本身就是针对超级电容器而研究的，因此，将其制成极片用于超级电容器，能够有效的提高超级电容器的电容性能。本申请的再一面公开了一种本申请的碳组合材料的制备方法，包括以下步骤，(a)将碳源与普鲁士蓝作为原材料，或者含掺杂原子的碳源与醋酸铁作为原材料，分散到水和乙醇的混合溶液中，研磨混匀，将研磨产物烘干，作为混合原料；将混合原料在氮气氛下煅烧，煅烧条件为，2-5℃/min的速度升温至450℃-650℃，保温4-10h；煅烧完成后自然冷却，然后，使煅烧产物暴露于空气中，使其自燃烧；采用浓酸溶液对自燃烧的产物进行洗涤，洗涤过程中边搅拌边加热，加热温度为60℃-90℃；洗涤完后离心干燥，获得原子掺杂量为10％-25％的所述第一组分碳材料；(b)将步骤(a)制备的第一组分碳材料，在氩气中，且大于650℃的温度下煅烧6h，获得原子掺杂量为0％-10％的所述第二组分碳材料；(c)将步骤(a)制备的第一组分碳材料，与步骤(b)制备的第二组分碳材料混合，即获得所述碳组合材料。需要说明的是，步骤(a)中，乙醇和水的混合溶液中，乙醇主要起到分散作用，通常按照水:乙醇体积比1:5左右即可。还需要说明的是，步骤(a)中，煅烧条件中煅烧温度450℃-650℃，不同的煅烧温度，获得的碳材料具有不同的导电性和原子掺杂含量，总的来说温度越高，掺杂原子含量相对较低，导电性较强；至于煅烧的时间，即保温4-10h，主要是为了保障煅烧充分，保障材料的一致性。优选的，碳源为葡萄糖，含掺杂原子的碳源为聚苯胺、三聚氰胺、海藻酸钠、噻吩和肌醇六磷酸中的至少一种。需要说明的是，本申请采用的铁基化合物中，普鲁士蓝还有一个特殊的作用，即提供氮源，因此，在本申请的一种实现方式中，直接采用葡萄糖作为碳源，而不需要其它的含掺杂原子的碳源，与普鲁士蓝混合、研磨、煅烧即可获得氮掺杂的碳材料。而采用含掺杂原子的碳源时，为了不引入其它杂原子，铁基化合物采用醋酸铁，这样可以获得含掺杂原子的碳材料；其中，聚苯胺和三聚氰胺为含掺杂原子氮的碳材料，海藻酸钠为含掺杂原子氧的碳材料，噻吩为含掺杂原子硫的碳材料，肌醇六磷酸为含掺杂原子磷的碳材料。优选的，步骤(a)中，浓酸溶液为浓硫酸。其中浓酸溶液洗涤是为了去除碳材料中的铁原子，从而获得比表面积大的碳壳材料。优选的，步骤(b)中，在氩气中煅烧的温度为850℃-1050℃。需要说明的是，步骤(b)中，煅烧温度越高，掺杂原子的含量越低，本申请的实现方式中采用调控煅烧温度控制掺杂原子含量，这只是掺杂原子含量的一种调控途径，不排除可以采用实验室使用的其它调控掺杂原子含量的方法。本申请的有益效果在于：本申请的碳组合材料中，第一组分碳材料的原子掺杂量相对较高，具有高赝电容的特点，而第二组分碳材料的原子掺杂量相对较低，具有较好的导电性，两者优化互补；因此，将本申请的碳组合材料制成极片，在脱嵌锂的过程中，第二组分碳材料不仅提供了导电网络而且可以提供一部分赝电容，第一组分碳材料在导电网络里面更有助于掺杂原子赝电容的发挥，两种碳材料相互作用，从而提高了电极材料的整体性能。附图说明图1是本申请实施例中制备碳材料的工艺流程示意图；图2是本申请实施例中第一组分碳材料和第二组分碳材料相互作用的结构示意图；图3是本申请实施例中制备的碳材料CS-650的透射电镜图；图4是本申请实施例中制备的碳材料CS-850的透射电镜图；图5是本申请实施例中三种碳材料制备成极片的倍率性能对比图，其中“■”曲线为碳材料CS-650的倍率性能曲线，“●”曲线为碳材料CS-850的倍率性能曲线，“▲”曲线为碳材料CS-650和CS-850组成的碳组合材料的倍率性能曲线；图6是本申请实施例中制备的碳材料CS-1050的透射电镜图；图7是本申请另外一个实施例中三种碳材料制备成极片的倍率性能对比图，其中“■”曲线为碳材料CS-650的倍率性能曲线，“●”曲线为碳材料CS-1050的倍率性能曲线，“▲”曲线为碳材料CS-650和CS-1050组成的碳组合材料的倍率性能曲线。具体实施方式本申请的专利技术人在大量的试验和研究过程中发现，原子掺杂可以增加碳材料的赝电容，进而提高电极材料的整体性能；但是，原子掺杂量的增加，相应的会减小其导电性。因此，如何同时获得高赝电容和高导电性的碳材料，这对本领域的研究人员来说是一个无法逾越的矛盾。本申请经过研究证实，将具有高赝电容的原子掺杂量高的碳材料，与具有高导电性的原子掺杂量低的碳材料混合，作为碳组合材料，可以产生1+1大于2的比电容和倍率性能。本申请的碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高比电容的碳组合材料，其特征在于：所述碳组合材料由原子掺杂量为10％‑25％的第一组分碳材料，与原子掺杂量为0％‑10％的第二组分碳材料混合而成。

【技术特征摘要】
1.一种高比电容的碳组合材料，其特征在于：所述碳组合材料由原子掺杂量为10％-25％的第一组分碳材料，与原子掺杂量为0％-10％的第二组分碳材料混合而成。2.根据权利要求1所述的碳组合材料，其特征在于：所述原子掺杂可重复的选自氮掺杂、氧掺杂、硫掺杂和磷掺杂的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的碳组合材料，其特征在于：所述第一组分碳材料与所述第二组分碳材料的重量比为2:8-8:2。4.根据权利要求1-3任一项所述的碳组合材料在超级电容器中的应用。5.一种由权利要求1-3任一项所述的碳组合材料制备的极片。6.一种采用权利要求5所述的极片的超级电容器。7.根据权利要求1-3任一项所述的碳组合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，(a)将碳源与普鲁士蓝作为原材料，或者含掺杂原子的碳源与醋酸铁作为原材料，分散到水和乙醇的混合溶液中，研磨混匀，将研磨产物烘干，作为混合原料；将混合原料在氮气氛下煅烧，煅烧条件为，2-5℃/min的...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡江涛，潘锋，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44