[发明专利]一种复合电极材料

说明书

技术领域

    本发明涉及超级电容器的电极材料领域，具体是一种复合电极材料。

背景技术

超级电容器是一种新型电容器，又叫做双电层电容器、法拉电容，在储能过程中不发生化学反应，是一种绿色能源。超级电容器的容量产生是靠离子导电形成的双电荷层实现的，在很小的体积下达到法拉级的容量。与电池相比，无须特别的充电电路和控制放电电路，过充、过放都不对其寿命构成负面影响，充放电次数可达50万次，内阻较小，功率密度是锂离子电池的数十倍以上，可以大电流放电。且超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放电（放电至0V）；而电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围（U~1/2U），如果过放可能造成永久性破坏。超级电容器产品虽然问世不久，但由于它具有特殊的优点，在汽车(特别是电动汽车、混合燃料汽车和特殊载重车辆)、电力、铁路、通信、国防、消费性电子产品等方面有着巨大的应用价值和市场潜力，因而被世界各国所广泛关注，其前景是非常广阔。

超级电容器最关键的技术就是电极材料，电极材料的优劣直接决定超级电容器的性能。超级电容器的电极材料要求大表面积（面积越大，其电容量越大）、导电性好。目前超级电容器的电极材料的原料大多采用经过改性的多孔炭材料，常见的多孔炭材料有活性炭、碳纳米管、石墨烯。但是活性炭虽然表面积大，孔体积也大，但2nm以下的空隙几乎对超级电容器没有贡献，导电性较差；碳纳米管导电性好，孔径大多都大于2nm，按道理来说，应该是很好的超级电容器的电极材料，但碳纳米管的长径比太大，电解液难以进入管中；石墨烯具有较大的表面积，导电性也很好，但在溶液中容易团聚。为防止石墨烯团聚，若有部分碳纳米管混合阻隔，并造成二级孔径，会大大提高电容量，也能增强机械强度。目前，碳纳米管/石墨烯的复合电极材料的制备只是采用单纯的机械混合，然后将碳纳米管与石墨烯的复合材料加入导电胶压到金属表面，但是此电极材料存在诸多缺陷：一、单纯的机械混合不会将碳纳米管与石墨烯混合的很均匀；二、混合物压到金属表面时，碳纳米管与石墨烯易抱团，压入不均匀，效果很差；三、由于导电胶的加入，电极的单位重量比电容减小；四、电解液易腐蚀金属。

发明内容

    本发明为了解决上述技术问题，提供了一种复合电极材料。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种复合电极材料，所述的电极材料的制备方法为：（1）不锈钢片的表面处理：去除不锈钢片表面的钝化膜；（2）气相沉积法制备碳纳米管和石墨烯：将步骤（1）处理后的不锈钢片置于石英管内，然后将石英管置于管式炉内，保护气体氛围下炉内加热至600～800℃，然后以10～80ml/min的流速向管式炉内通入还原性气体，保温（保持炉内温度为600～800℃）且还原性气体还原1～5h；调节管式炉内的温度为600～1000℃，然后以10～100ml/min的流速向管式炉内通入碳源气体，保温（保持炉内温度为600～1000℃）且通入碳源气体的时间为2～20h，随后在保护气体氛围下冷却至室温，得到包覆有黑色纳米碳层的不锈钢片——复合电极材料，所述的黑色纳米碳层为碳纳米管/石墨烯的复合材料。所述的不锈钢片为含有铬（Cr）、镍（Ni）、铁（Fe）等合金元素的不锈钢。本发明所述的保护气体、还原性气体、碳源气体为本领域技术人员的公知常识。

所述的步骤（1）去除不锈钢片表面的钝化膜有很多公知的方法，最典型的常见的方法为溶液化学方法处理，即将裁减好的不锈钢片浸泡于盐酸或硝酸中处理一段时间，随后蒸馏水清洗，烘干。本发明所述的去除不锈钢片表面的钝化膜另一种方法为：将剪裁好的不锈钢片置于管式炉内，保护气体氛围下炉内加热至400～800℃，然后保护气体作为载体以20～100ml/min的流速将水蒸汽鼓泡带入管式炉内，带入水蒸汽的时间为0.5～1h，随后在保护气体氛围下冷却至室温。所述的水蒸汽鼓泡带入指鼓泡器放入达到沸点的水中，保护气体通入鼓泡器，带出沸水中的水蒸汽。由于载体（保护气体）的流速决定了水蒸汽的流量，通过控制保护气体的流速就可控制水蒸汽的流量。此方法较典型的溶液化学方法的好处为：不仅可以有效的去除不锈钢片表面的钝化膜，而且经过上述的方法，不锈钢片表面可生成晶须状的氧化亚铁、氢氧化亚铁、氧化镍的复合材料，晶须状的复合材料可使不锈钢片的比表面积由0.1m²/g增大到30m²/g。