掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于电池领域，具体涉及掺杂纳米氧化锌

【技术实现步骤摘要】
掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于电池材料领域，具体涉及一种掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料及其制备方法。该电极材料可用于制备超级电容器电极。

技术介绍

[0002]超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置，具有较髙功率密度、控制方便、转换效率高、工作温度范围宽、无污染等优点。随着其技术的提高，生产成本逐渐降低越来越多的应用在储能领域中，有极大可能在未来很多场合取代蓄电池进行储能。目前超级电容器的价格较昂贵，还不能用于大规模的电力储能。因此，降低其生产成本是超级电容在未来进一步发展及取代蓄电池必不可少的一步。
[0003]超级电容器由电极材料、电解液、隔膜和集电极等组成，每个部分对超级电容器都有产生很大的影响，而电极材料对超级电容器性能起决定性的作用。常见的超级电容器的电极材料有碳材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料、复合材料。碳材料因为成本较低和多种多样的存在形式，被广泛用作超级电容器的电极材料。影响碳材料电极电化学性能的最重要的因素是比表面积、孔径分布、孔隙形状和结构、电导率、表面功能等。高比表面积和合适空隙的碳材料因其电阻相较其他电极材料较高、活性基团较少等，其比容量低功率密度不高，因此未来的研究重点是提高碳材料的能量密度和功率密度。目前常采用如与金属氧化物材料等制备复合材料、与纳米技术结合的复合材料、对碳材料进行活化处理、增加电极材料的比表面积等来提高碳材料的能量密度和功率密度。
[0004]陕西科技大学王亭等，以碳纤维布作为柔性自支撑基底，通过溶剂热法及热处理在其表面原位合成WO3纳米片层，随后采用浸渍－煅烧法在WO3纳米片层外包覆薄碳层构筑具有三维(3D)分级结构的纳米复合物材料作为超级电容器的电极材料展现出良好的电化学稳定性。但该制备方法复杂，碳布处理不环保，水热反应不可工业化生产。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法。该制备方法包括以下步骤：
[0006]A、将丙烯腈、丙烯酰胺、偶氮二异丁腈和纳米金属锌粉加入溶剂中混匀，加入引发剂，在惰性气体下55～75℃反应，得到功能聚丙烯腈；
[0007]B、将聚丙烯腈溶液、功能聚丙烯腈混合均匀后稀释；
[0008]C、将步骤B所得物料制备成聚丙烯腈毡，将其进行石墨化反应，保持温度通入水蒸气反应，然后将其在空气或氧气下80～150℃下反应，得到掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料。
[0009]其中，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤A中，所述纳米金属锌粉纯度≥99％。粒径30～80纳米。
[0010]进一步的，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤A
中，将纳米金属锌粉采用丙酮或乙醇按固液质量比1﹕10～1﹕30浸泡12～24小时，超声洗涤10～20分钟进行预处理。
[0011]其中，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤A中，丙烯腈﹕丙烯酰胺﹕偶氮二异丁腈质量比为85﹕14﹕1～98﹕1﹕1。
[0012]其中，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤A中，丙烯腈、丙烯酰胺和偶氮二异丁腈三者总量在溶液中的质量浓度为40～60％。
[0013]其中，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤A中，纳米金属锌粉与丙烯腈、丙烯酰胺和偶氮二异丁腈三者混合物的质量比为1﹕4～1﹕10。
[0014]其中，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤A中，所述引发剂为过硫化物。优选过硫化钾。
[0015]进一步的，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤A中，所述引发剂的添加量为丙烯腈、丙烯酰胺和偶氮二异丁腈三者总质量的0.3～1.5％。
[0016]其中，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤A中，所述溶剂为DMF、二甲亚砜、乙醇、丙酮或石油醚中的任意一种。
[0017]其中，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤A中，所述惰性气体为氮气。
[0018]其中，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤A中，所述反应时间为20～30小时。
[0019]其中，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤B中，所述聚丙烯腈溶液的质量浓度为70～90％。
[0020]其中，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤B中，聚丙烯腈溶液、功能聚丙烯腈按照体积比8﹕1～5﹕5混合均匀。
[0021]其中，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤B中，采用二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺胺或二甲亚砜中任意一种进行稀释。
[0022]进一步的，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤B中，所述稀释至质量浓度为5～15％。
[0023]其中，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤C中，所述制备聚丙烯腈毡的条件为纺丝距离13～16cm，电压为16～20kV。
[0024]其中，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤C中，所述聚丙烯腈毡的厚度为0.2～0.6mm。
[0025]其中，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤C中，所述石墨化反应包括以下步骤：在170～280℃下预氧化100～140分钟，然后通入惰性气体，再于600
±
5℃、650
±
5℃、700
±
5℃、750
±
5℃、800
±
5℃分别反应20～40分钟。所述惰性气体为高纯氮气。
[0026]其中，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤C中，通入水蒸气反应30～60分钟。
[0027]其中，上述掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法步骤C中，在80～150℃下反应12～24小时。
[0028]本专利技术还提供了由上述制备方法制备得到的掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合
电极材料。
[0029]本专利技术制备得到的电极材料为纳米尺寸，其比表面积及活性比相同类型的复合电极高。碳纤维内部引入了金属锌，提高了碳纤维的整体导电能力。对电极材料使用水蒸气进行刻蚀，提高了材料的粗糙度及引入了部分-OH官能团，使电极材料表面的润湿性提高，减轻了电解液离子扩散到活性炭孔隙内部的阻力，提高了电极的比电容。本专利技术使用聚丙烯腈及金属锌为原料，价格低廉。本专利技术方法制备简单、流程短、可工业化生产，同时可以通过调节金属锌的含量及刻蚀时间来有效的控制引入金属锌及氧化锌的含量，避免了繁琐的制备工艺。本专利技术制备方法对环境友好，无有毒有害物质的产生和残留。
具体实施方式
[0030]本专利技术掺杂纳米氧化锌本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：A、将丙烯腈、丙烯酰胺、偶氮二异丁腈和纳米金属锌粉加入溶剂中混匀，加入引发剂，在惰性气体下55～75℃反应，得到功能聚丙烯腈；B、将聚丙烯腈溶液、功能聚丙烯腈混合均匀后稀释；C、将步骤B所得物料制备成聚丙烯腈毡，将其进行石墨化反应，保持温度通入水蒸气反应，然后将其在空气或氧气下80～150℃下反应，得到掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料。2.根据权利要求1所述的掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法，其特征在于：步骤A中，将纳米金属粉采用丙酮或乙醇按固液质量比1﹕10～1﹕30浸泡12～24小时，超声洗涤10～20分钟进行预处理。3.根据权利要求1或2所述的掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法，其特征在于：步骤A中，丙烯腈﹕丙烯酰胺﹕偶氮二异丁腈质量比为85﹕14﹕1～98﹕1﹕1；进一步的，丙烯腈、丙烯酰胺和偶氮二异丁腈三者总量在溶液中的质量浓度为40～60％。4.根据权利要求1～3任一项所述的掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法，其特征在于：步骤A中，纳米金属锌粉与丙烯腈、丙烯酰胺和偶氮二异丁腈三者混合物的质量比为1﹕4～1﹕10。5.根据权利要求1～4任一项所述的掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料的制备方法，其特征在于：步骤A中，所述引发剂为过硫化物；进一步的，所述引发剂为过硫化钾；更进一步的，所述引发剂的添加量为丙烯腈、丙烯酰胺和偶氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：李道玉，辛亚男，刘波，姚洁，
申请(专利权)人：成都先进金属材料产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：