[发明专利]用紫菜制备超级电容器电极材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超级电容器电极材料的制备，属于高分子材料领域；尤其涉及一种用紫菜制备超级电容器电极材料的方法。

背景技术

能源是人类生存和社会良好发展的重要基础，随着科学技术的进步，电动汽车、航空航天、移动通讯、国防科技、新能源发电（风能、太阳能等）和新型电磁武器的发展，人们对高性能存储设备用电源的需求越来越迫切。这些储能装置除对能量密度有一定要求外，对功率密度的要求也越来越高。在此背景下超级电容作为一种新型储能元件，由于其功率密度高、循环寿命长、充电速度快、使用温度范围宽、安全环保等优点，受到越来越多的关注，成为新能源应用领域的重要组成部分。

超级电容器，从材料角度而言，至关重要的即是选择适合超级电容器应用的、在电解液中具有较高比容量的电极材料。目前用作超级电容器电极材料的分别为碳基材料，金属氧化物材料和导电聚合物材料。而在这三种材料中，碳基材料以其低廉的价格，优异的材料性能和简单的制备工艺越来越受到各国研究者的青睐。而生物质是比较有前景的碳源，因此如何固定生物质碳，并以其作为原料制备一系列化工产品代替化石资源产品是全世界科学家迫切需要完成的研究任务。

紫菜是海中互生藻类生物的统称，一般生活在距离潮间带数十米的海底，外表通常呈绿色，偶尔呈红色。紫菜含有高达29%~35%的蛋白质以及碘、多种维生素和无机盐类。由于其具有很高的营养价值，主要作为烹调原料或与其它食品供直接食用，而在工业上则很少应用。由于紫菜呈多孔性层状结构，叶片是由1层细胞（少数种类由2层或3层）构成的单一或具分叉的膜状体，其炭化后的结构有利于电解液中的离子在其内部转移或运输，所以有望作为超级电容器的电极材料。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种用紫菜制备超级电容器电极材料的方法。

本发明用紫菜制备超级电容器电极材料的方法，是将紫菜依次用1~3M稀盐酸、水洗涤，干燥后，于300~450℃下预碳化1~3 h，再将预碳化的紫菜于碱液中浸泡8~24 h，过滤、烘干，然后在N₂保护下于700~900℃碳化2~6 h；最后于酸液中浸泡6~18 h，用水洗涤至中性，烘干，即得超级电容器电极材料。

所述紫菜与碱液的质量体积比为1:1~1:3；

所述碱液为浓度1~3M的氢氧化钠或氢氧化钾溶液；

所述酸液为浓度1~3M的盐酸溶液。

所述烘干是在50~70℃下进行真空干燥。

图1为本发明用紫菜制备的超级电容器电极材料的扫描电镜的微观形貌图（SEM）。从图1可以看到，所制备的紫菜炭基材料为层状结构，其表面呈分级的褶皱状纹路。这与碳化前紫菜的微观结构相类似，说明碳化过程并没有破坏其结构。

下面通过对本发明用紫菜制备的超级电容器电极材料在1 mol/L Na₂SO₄电解液中的循环伏安曲线（CV）来是说明其在电解液中的电荷传递能力。

图2为不同温度（700℃、800℃、900℃）下碳化得到的超级电容器电极材料在1 mol/L Na₂SO₄电解液中的循环伏安（CV）曲线。由图2可见，碳化温度为900℃时的紫菜炭基材料的电化学面积明显大于碳化温度为700℃和800℃，即碳化温度为900℃时的紫菜炭基材料的电化学面积最大，材料的循环伏安曲线的形状越来越趋近于矩形，表明在高温碳化下的紫菜炭基材料具有更好的电荷传递过程。在碳化温度较低时，紫菜碳化不够完全，使得其中未被碳化的不导电的成份限制了电荷的迁移，电荷传递过程受阻。因此，在单位时间内材料表面电荷的聚集程度明显减少。由于电极材料的比电容和CV面积是成正比例关系，因此，碳化温度为900℃时的紫菜炭基材料的比电容最大，为180 F g^-1。

电化学性能评价体系在常规的三电极体系中完成，采用上海辰华有限公司的CHI 660D型电化学工作站进行测试；循环稳定性测试采用武汉蓝电电子有限公司的CT2001A型测试仪。工作电极是玻碳电极，对电极是铂电极，参比电极是饱和甘汞电极，电解液为1 M Na₂SO₄。紫菜炭基材料作为超级电容器的电极材料，经过10000次充放电循环后比电容仅减少了3 %。说明了其充放电循环寿命比较长，循环效率比较高等优点。

本发明相对于现有技术具有以下优点：