[发明专利]超级电容器用活性炭/金属氮化物复合电极材料的制法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学和电化学技术科学领域，具体涉及一种用于电化学超级电容器的负载金属氮化物的活性炭电极材料的制备方法及其应用。

背景技术

电化学超级电容器是一种新型、高效、实用的电化学能量存储装置，具有高功率密度、高能量密度、循环寿命长、无污染等优点，被广泛应用于电动/混合动力车辆、移动储能器件、工业动力管理和复合电源系统等现代高科技领域。

电化学超级电容器按照储能机理不同可以分为：

(1)双电层电容器，其电容的产生主要基于电极、电解液上电荷分离所产生的双电层电容；

(2)电化学超级电容器，它是由贵金属、和贵金属氧化物电极组成，其电容的产生是基于电活性离子在贵金属表面发生欠电位沉积，或在贵金属氧化物电极表面及体相中发生的氧化还原反应而产生的吸附电容，但由于贵金属价格及其昂贵，限制了其产业化应用。

与贵金属氧化物相比，活性炭材料具有资源丰富、价格低廉、吸附性能优异、孔结构分布合理、生产工艺成熟、比表面积高、电化学性能稳定等优势，在商品化电化学超级电容器中得到广泛应用。研究表明，活性炭的比表面积和孔结构分布是影响电化学超级电容器的关键因素。高比表面积的活性炭(3000-4000m²/g)以孔径小于2nm的微孔为主，有机体系电解液中，电解质离子半径较大，不易进入微孔内部形成有效的双电层而存储能量，尤其是在大电流充放电时倍率性能急剧下降，比表面积利用率大大降低。中孔活性炭的比表面积一般低于2000m²/g，双电层储存电荷能力有限。

为了提高炭材料的比电容，中国专利CN101221854A、CN1402272、CN1404082A等采用活性炭负载MxOy(M代表Ni、Co、Mn、Al、Zn等)以及中国专利CN1482634负载铅类化合物，但是这些材料均用在水性电解液体系中，虽然比电容有所提高，但工作电压窗口窄(0～1V)，能量密度低下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电化学超级电容器的负载金属氮化物的活性炭电极材料的制备方法，以解决上述技术缺陷。

本发明提供的负载金属氮化物的活性炭电极材料的制备方法，主要步骤如下：

将金属单质、金属氧化物、金属有机配合物或金属盐与活性炭机械混合，干燥，在氨气气氛或氮气与氢气的混合气体中对样品进行热处理，热处理的温度为300-1300℃；

其中，金属单质、金属氧化物、金属有机配合物或金属盐的重量占总重量的0.5-10％。

本发明中，金属有机配合物或金属盐是溶解在水或乙醇中，形成0.5-10wt％的溶液，于室温下加入活性炭浸渍混合，干燥，在氨气气氛或氮气与氢气的混合气体中对样品进行热处理。

本发明的干燥温度可以为60-120℃，时间为10-36h。

本发明中，浸渍混合可以采用机械混合和/或超声波混合，机械混合可以是球磨或搅拌混合。

本发明中，升温速率为1-10℃/min，热处理温度为300-1300℃。

本发明中，热处理时间可以为1-10小时。

本发明中，活性炭为粉末状活性炭。

本发明中，金属单质包括锰或钼，金属氧化物包括五氧化二钒，二氧化钛、三氧化钼或氧化铁，金属有机配合物和金属盐包括钛、钒、铬、铁、锰、镁或钼的化合物。

本发明提供的用于电化学超级电容器的负载金属氮化物的活性炭复合电极材料的制备方法工序简单，效果显著，综合性能良好。在有机体系电解液中作为电化学超级电容器电极使用时，该方法制得的负载金属氮化物活性炭材料的比能量是纯活性炭电极的1.7-3.1倍。

具体实施方式

本发明中的负载金属氮化物的活性炭电极材料，在充放电时既可以像传统活性炭一样在电极/电解液界面上可逆的吸附和脱附溶液中的阴阳离子，依靠电荷分离形成的双电层来储存电荷，也可以按照如下反应方式：

通过锂嵌入到金属氮化物中，替代金属M形成Li_xN化合物，形成巨大的法拉第电容。用在含锂有机体系电解液中时，大大提高了活性物质的比电容。根据电化学超级电容器储存能量公式E＝1/2CV²，和传统的双电层电容器相比，采用本发明中的材料，工作电压范围为0-3V，电容器的能量密度得到大大提高，具有广泛的商业化应用价值。

下面用实施例来进一步阐述本发明，但本发明并不受此限制。

实施例1