含金属氧化物的多孔碳纳米纤维的制备方法、使用该方法制备的多孔碳纳米纤维及包含它的碳纳米纤维产品技术

本发明专利技术涉及碳纳米纤维，更具体而言，本发明专利技术涉及一种制备具有高比表面积的含有金属氧化物的多孔碳纳米纤维的方法，所述方法通过使用能够制备纳米级纤维的电纺丝法来改变碳纤维制备过程中的纺丝溶液的组成来进行，并且本发明专利技术涉及通过该方法制备的含有金属氧化物的多孔碳纳米纤维，还涉及包含它的碳纳米纤维产品。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及碳纳米纤维，更具体而言，涉及一种制备具有高比表面积的含有金属氧化物的多孔碳纳米纤维的方法，所述方法通过使用能够制备纳米级纤维的电纺丝法来改变碳纤维制备过程中的纺丝溶液的组成来进行，并且本专利技术涉及通过该方法制备的含有金属氧化物的多孔碳纳米纤维，还涉及包含它的碳纳米纤维产品。
技术介绍
随着泛在时代(ubiquitous era)的到来，环境友好和高效材料的开发对于实现各种电子电信装置的小型化和电动汽车的实际应用是必不可少的。在二十一世纪，需要高科技小型移动电力系统，并且必须将这些系统的尺寸和重量减小。与这一要求有关的是，高功能碳材料已经得到关注，并且已经进行了关于其开发的研究。在高功能碳材料中，活性炭具有高表面积，但是其孔结构非常复杂，这使得复现吸附率和脱附率变得很困难。在活性炭纤维的情形中，细孔暴露于外部但具有微米级的直径，因而表现出受限的容量和反应速率，这使得使用活性炭纤维作为储能介质变得很困难。另一方面，与活性炭相比，碳纳米纤维具有均一的孔分布和高比表面积，并且可以以纸张、带或无纺布的形式制备。因此，碳纳米纤维可以提供具有更佳性能的电极活性材料。另外，具有纳米石墨结构的碳纳米纤维具有较大的比表面积和较浅的孔深并包含孔径为Inm 2nm的细孔，其显示了高吸附率和脱附率。另外，这些碳纳米纤维具有均一的孔结构和窄的孔径分布，因而甚至在能量略微改变时也能显示快的选择性吸附和脱附。由此，这些碳纳米纤维具有非常优异的储能性质。在目前已知的碳纳米纤维制备方法中，为制备多孔碳纳米纤维，在热处理工序(稳定化或碳化工序)之后应进行化学活化工序。具体而言，在已于高温进行碳化工序之后，通常在高温将碳纳米纤维与氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)混合来进行化学活化工序，然后在高温热处理该混合物。然而，在包括使用盐的化学活化工序的碳纳米纤维制备方法中，存在难以连续执行该工序和难以制备大量多孔碳纳米纤维的问题，这因为热处理在碳纳米纤维与盐均一混合之后进行，并且在活化工序之后需要除去所添加盐的工序。使用静电纺丝技术制备PAN (聚丙烯腈)类碳纤维纳米纤维和浙青类碳纳米纤维的方法分别公开于韩国专利第2002-0008227号和第10-2003-0002759号公报。在这些专利文件中，PAN类碳纳米纤维通过将PAN溶液电纺丝和使纺成的纤维稳定化、碳化及活化而制备。然而，PAN类碳纤维具有低比表面积和低电导率，并且不能充分展现用于双层超级电容器的电极性能。同时，不利的是，通过以上方法制备的浙青类纳米纤维的纤维直径非常大，这是因为被纺丝的能力低。近年来，为将双电层电容器开发为要求高输出和高容量性质的用于电动汽车的能源，对于碳纳米材料作为双电层电容器的电极应用已经进行了研究。双电层电容器是利用在固体电极和电解质之间形成的双电层中积聚的电荷的装置，并且受到了许多领域的关注。特别是，与电池相比，电容器具有低能量密度，但表现出优异的功率密度性质，并且几乎是半永久的，因而据预期可用于许多领域。因此，在电化学电容器的情形中，为提高电容器的能量密度和功率密度，已经积极地进行了研究和开发。在储能装置中，超级电容器的性能依赖于材料和制造工艺而极大地不同，因此使用新开发的材料制造具有高能量密度的超级电容器非常重要。用在双电层电容器(EDLC)中的电解质主要分为水溶性电解质、有机溶剂类电解质和固体电解质。由于使用过程中EDLC单元电池的电势差由电解质决定，因此电解质的选择非常重要。通常，水性双电层电容器的缺点在于，其运行电压低至I. OV以下且其中可存 储的能量的量有限。当使用有机溶剂电解质来克服这些缺点时，电容器可以在高电池电压使用，因此可以存储大量的能量。然而，当使用有机溶剂电解质时，存在增加电容的内电阻以致于与水性双层电容器相比充电/放电特性较差的缺点。不过，在此情形中，可以获得在使用期间具有高电势差和具有与使用期间的电压的平方成正比增加的高能量密度的电容器。该电容器可以在-25°c 85°C的宽温度范围内使用，并能够具有高击穿电压且能够被小型化。EDLC用电极主要由活性炭材料制得，所述材料具有大比表面积，具有电稳定性并且也是高度导电的。具体而言，电极主要由活性炭材料或活性炭纤维制得，它们通过在低于1200°C的温度使用氧化性气体或有机盐来活化作为原料的来自煤或石油浙青、酚醛树脂、木质和碳前体聚合物的材料而制备。提高双电层电容器的能量密度的方法包括使用不对称电极技术制造混合电容器(10Wh/kg 20Wh/kg)的方法，和由使用碱性活化剂制备的高电容活性炭制造双电层电容器(20Wh/kg 40Wh/kg)的方法(The Korean Institute of Electricaland Electronic Material Engineers, 17，1079 (2004) ;Mat.Res.Soc.Proc.，SanFrancisco, CA, 397(1995);J. Electrochem. Soc. , 148, A930(2001);Electrochem. , 69, 487 (2001) ; Carbon, 43，2960(2005))。在后者的情形中，在700°C 900°C的高温使用碱性材料(K0H、Na0H或K2CO3)热处理石墨碳材料，并且该活化的材料具有在3. 5V时为约30F/mL/电极体积 50F/mL/电极体积的电容量。然而，据报道，通过碱性活化方法制备的活性炭材料具有下述问题在其制备过程中应该被热处理，腐蚀容器，其特性因充电/放电循环而劣化，以及其生产成本高。同时，目前生产和销售的活性炭纤维主要通过以下方式制备使用昂贵的熔融纺丝或熔喷纺丝设备由前体获得纤维，然后将该纤维稳定化和碳化或活化。然而，在该制备方法中使用的工序复杂且纤维直径大，使得难以有效提高单位体积的比表面积。另外，当制备的纤维将被用作电极活性材料时，应该执行压碎纤维并将向其添加粘合剂或导电性材料的工序。此外，当纤维以无纺布的形式用作电极时，因纤维的直径大，因而电极的密度低，因此使高速充电/放电或高输出性质劣化。因此，需要开发克服上述问题的碳纳米纤维。
技术实现思路
技术问题因此，本专利技术人已经为解决上述问题付出了大量努力，并由此已经开发了一种制备具有高比表面积的碳纳米纤维的方法，由此完成了本专利技术。因此，本专利技术的一个目的是提供一种通过向碳纳米纤维前体溶液添加金属醇盐并进行碳化或活化工序来制备含有金属氧化物的高度多孔的碳纳米纤维的方法，和提供通过该方法制备的多孔碳纳米纤维以及包含所述碳纳米纤维的产品，所述多孔碳纳米纤维具有大比表面积和提高的电导率。本专利技术的另一个目的是提供一种以具有时间和成本效益的方式无需进行化学活化工序而仅通过热处理工序制备多孔碳纳米纤维的方法，和通过该方法制备的碳纳米纤维以及包含该碳纳米纤维的产品，所述多孔碳纳米纤维具有超细的、高度多孔的纤维网。本专利技术的又一个目的是提供一种制备碳纳米纤维的方法，其中，通过控制金属醇盐的浓度、热处理温度和时间以及活化工序中的一种或多种来控制含有金属醇盐的碳纳米纤维的比表面积和孔径分布，含有金属氧化物的碳纳米纤维的性质可以根据需求而容易地受到控制。 本专利技术的再一个目的是提供一种制备含有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁甲承，金宝惠，
申请(专利权)人：全南大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：