超级电容器材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种超级电容器材料的制备方法，其解决了现有电极材料生产工艺复杂、生产成本较高、比电容量较低的技术问题，包括以下步骤：将无机酸加入有机溶剂中，再加聚合物，制得均匀的有机/无机混合溶液，然后通过有机溶剂挥发或静电纺丝方法制得有机/无机复合材料，再经过预氧化、低温处理及高温碳化得到碳材料，然后制成超级电容器电极材料。本发明专利技术可用于超级电容器电极的制造。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料领域，具体涉及一种。
技术介绍
锂离子电池具有比能量大、循环寿命长、安全性好和环境友好等优点，被寄予厚望应用于动力汽车和混合动力汽车。但是锂离子电池存在比功率密度低的缺点，限制了其在动力汽车和混合动力汽车领域的应用。超级电容器的瞬间功率大、寿命长、快速充放电性能好、体积小、使用温度范围宽，有望弥补锂离子电池作为新能源汽车单一动力源的不足，从而大力推动新能源汽车的发展。超级电容器分为双电层超级电容器和赝电容器。双电层超级电容器电极材料主要是碳材料，赝电容器电极材料主要包括金属氧化物和导电聚合物。目前，赝电容器由于价格昂贵、循环性能差等原因并未实现完全商业化。商业化超级电容器主要以双电层超级电容器为主。多孔碳材料具有比表面积大、结构稳定、使用寿命长、性价比高等优势，成为商业化超级电容器的主要电极材料。多孔碳材料的制备方法主要是活化法和模板法，它们都存在工序繁多、能耗高、污染大、成本高等缺点。理论上，多孔碳材料的比电容量与其比表面积成正比，但是研究表明，并不是比表面积越大电容值越高，还与多孔碳材料的孔径大小、孔径分布、表面结构和表面电荷状态等因素有关。专利号为200510031195.7的中国专利技术专利公开了一种高比表面积活性炭制取方法及超级电容器制造方法，其采用KOH刻蚀法制备了比表面积高达2000 3000m2/g的活性炭，比电容量仅为 84F/g。据[Mingjiang Zhong, Eun Kyung Kim and John P.McGannet al.J.Am.Chem.Soc.2012，134，14846-14857]报道，以聚丙烯腈-聚丙烯酸丁酯双嵌段共聚物为前驱体制备的富含氮元素掺杂的多孔碳材料，虽然比表面积只有500m2/g，但是在lmol/L H2SO4电解液中比电容量仍高达(166 ± 5) F/g，而且之后的CO2活化和KOH刻蚀均对比电容量的提高没有显著作用。因此，元素掺杂对简化生产工艺、降低生产成本、制备高性能的超级电容器电极材料具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术就是为了克服现有电极材料生产工艺复杂、生产成本较高、比电容量较低的技术问题，提供一种工艺简单、生产成本较低、比电容量较高的。为此，本专利技术提供一种超级电容器电极材料的制备方法，其包括以下步骤:(I)将0.2 8wt%的无机酸加入有机溶剂中，再加入9 12wt%的聚合物，制得均匀的有机/无机混合溶液；(2)将步骤(I)得到的有机/无机混合溶液通过有机溶剂挥发或静电纺丝方法制得有机/无机复合材料；(3)将步骤(2)得到的有机/无机复合材料经过预氧化、低温处理及高温碳化得到碳材料；(4)将步骤(3)得到的碳材料制成超级电容器电极材料。优选地，步骤⑵中的有机溶剂挥发条件如下:温度25 60°C、相对湿度彡30%的环境下，静置6 36小时。优选地，步骤(2)中的静电纺丝工艺参数为:纺丝湿度< 30%，注射针头内经为0.6 1.8mm,纺丝液流量为0.2 0.8mL/h，静电电压为12 20kV，采用单针头或者多针头纺丝。优选地，步骤(3)中的预氧化条件如下:在240 300°C进行预氧化，升温速度为I 10°c /min,降温速度为I 10°C /min,预氧化时间为I 5小时；低温处理条件如下:惰性气氛、300 500°C下，升温速度为I 20°C /min，保温时间为I 10小时；高温碳化条件如下:惰性气氛、600 1000°C下，升温速度为I 20°C /min,降温速度为I 20°C /min,碳化时间为0.5 10小时。优选地,步骤⑷中，将80 95wt%的碳材料与O IOwt %的导电炭黑混合,依次加入5 10wt%聚偏氟乙烯和10 20倍于聚偏氟乙烯质量的N-甲基吡咯烷酮，搅拌成糊状；采用钼片作为集流体，把上述混合好的材料均匀涂在集流体钼片表面，制得超级电容器电极材料。优选地，无机酸包括磷酸、多聚磷酸、亚磷酸、偏磷酸的一种或多种组合。优选地，有机溶剂包括N，N-二甲基乙酰胺、N，N-二甲基甲酰胺、或N-甲基吡咯烷酮的一种或多种组合。优选地，聚合物包括聚丙烯睛、聚酰胺、聚酰亚胺的一种或多种组合。将制作好的极片在100°C真空干燥12小时，然后将干燥好的极片在H2S04、Κ0Η,NaCl或Na2SO4电解液中浸泡12 36小时。以Pt电极为对电极、Ag/AgCl为参比电极，采用三电极测试方法在-0.1 0.9V电压范围、3A/g恒定电流条件下进行循环测试，并计算出单位电容值。本专利技术具有以下优点:(I)无机酸在整个制备过程中起到元素掺杂和致孔双重作用，同时碳材料前驱体聚合物富含氮元素，制备了高比电容量的氮、磷元素共掺杂碳材料；(2)本专利技术制备工艺简单易行、可控性强、成本低廉，易于推广应用，而且本专利技术使用的有机溶剂可以回收再利用，有利于环保和降低成本。附图说明图1是本专利技术实施例2制备的多孔材料的SEM图，其中(a)为H3P04/PAN复合多孔聚合物，(b)为多孔碳材料。图2是本专利技术实施例6和对比例I制备的碳纳米纤维的SM图，其中(a)为实施例6的SEM图，(b)为对比例I的SEM图。 图3是专利技术实施例2、 实施例6和对比例I制备的碳材料在3A/g恒定电流下的充放电循环曲线。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术做进一步的说明。实施例1将0.042g多聚磷酸加入19g N-甲基吡咯烷酮，搅拌10小时，然后将2g聚酰胺(PAI)加入其中，超声或加热助溶，最后搅拌24小时。将均一的混合溶液倒入表面皿中，在恒温25°C、恒湿30%的条件下放置36小时，溶剂挥发完全、自组装完成，得到h3po4/pai复合多孔聚合物。将该Η3Ρ04/ΡΑΙ复合多孔聚合物在240°C下进行预氧化5小时，升温速率为10°C /min,降温速率为1°C /min。将该预氧化产物置于炭化炉中，在氮气气氛下，以20°C /min升温至300°C保温10小时，然后以20°C /min升温至600°C保温10小时，最后以10°C /min冷却至室温，即得到多孔碳材料。将90wt%多孔碳材料与5 1:%导电炭黑Super-P通过研钵研磨方式充分混合均匀，依次加入5wt%聚偏氟乙烯和10倍于聚偏氟乙烯质量的N-甲基吡咯烷酮，充分搅拌均匀成糊状。采用钼片作为集流体，把上述混合好的材料均匀涂在集流体钼片表面，将制作好的极片在100°C真空干燥12小时，然后将干燥好的极片在IM KOH电解液中浸泡12小时。以钼电极为对电极、Ag/AgCl为参比电极，采用三电极测试方法在-0.1 0.9V电压范围、3A/g恒定电流条件下进行循环测试，并计算出单位电容值。实施例2将1.222g质量浓度为85%的磷酸加入19g N，N-二甲基甲酰胺，搅拌10小时，然后将2g聚丙烯腈(PAN)加入其中，超声或加热助溶，最后搅拌24小时。将均一的混合溶液倒入表面皿中，在恒温35°C、恒湿60%的条件下放置24小时，溶剂挥发完全、自组装完成，得到h3po4/pan复合多孔聚合物。将该Η3Ρ04/Ρ ΑΝ复合多孔聚合物在270°C下进行预氧化2小时，升温速率为3°C /min,降温速率为5°C /min。将该预氧化产物置于炭化炉中，在氮气气氛下，以5°C /min升温至400°本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超级电容器电极材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：(1)将0.2～8wt％的无机酸加入有机溶剂中，再加入9～12wt％的聚合物，制得均匀的有机/无机混合溶液；(2)将步骤(1)得到的有机/无机混合溶液通过有机溶剂挥发或静电纺丝方法制得有机/无机复合材料；(3)将步骤(2)得到的有机/无机复合材料经过预氧化、低温处理及高温碳化得到碳材料；(4)将步骤(3)得到的碳材料制成超级电容器电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种超级电容器电极材料的制备方法，其特征是包括以下步骤: (1)将0.2 8wt%的无机酸加入有机溶剂中，再加入9 12 〖％的聚合物，制得均匀的有机/无机混合溶液； (2)将步骤(I)得到的有机/无机混合溶液通过有机溶剂挥发或静电纺丝方法制得有机/无机复合材料； (3)将步骤(2)得到的有机/无机复合材料经过预氧化、低温处理及高温碳化得到碳材料； (4)将步骤(3)得到的碳材料制成超级电容器电极材料。2.根据权利要求1所述的超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中的有机溶剂挥发条件如下:温度25 60°C、相对湿度> 30%的环境下，静置6 36小时。3.根据权利要求1所述的超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中的静电纺丝工艺参数为:纺丝湿度< 30%，注射针头内经为0.6 1.8mm，纺丝液流量为0.2 0.8mL/h，静电电压为12 20kV，采用单针头或者多针头纺丝。4.根据权利要求2或3所述的超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中的预氧化条件如下:在240 300°C进行预氧化，升温速度为I 10°C /min,降温速度为I 10°C /min,预氧化时间为I 5小时。5.根据权利要求2或3所述的超级电容器电极材料的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：于运花，晏晓东，杨小平，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：