[发明专利]一种自支撑电容器电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学电容器技术领域，具体涉及自支撑多孔碳电极材料的制备方法。

背景技术

随着人们对环境保护的逐渐重视和不断寻求清洁高效的可再生能源利用方式，超级电容器作为一个理想的能量存储器件由于具有高功率密度、快速充放电以及超长的循环稳定性的优点，不仅在混合动力汽车等新型能源装置中具有巨大的潜在的应用价值，在通信、航天、国防等方面也发挥着重要的作用，因此成为广大科研工作者关注和研发的对象。

电极材料作为超级电容器的关键组成部分，决定了超级电容器基本特性。碳材料因其廉价易得、工作温度范围宽、比重小、比表面积可调、孔隙结构发达、化学稳定性高、生产工艺成熟、对环境友好等优点常常被用于超级电容器电极材料。这种基于碳材料的双电层电容器，其相对较低的能量密度，并不能够满足实际需求及应用。目前，研究主要集中于提高碳材料的比表面积以及其调节孔径分布来提高电容器的电化学性质。其中提高碳材料比表面积增加双电层电容；调节孔径分布改善电容器的大电流充放电能力。因此具有高比表面积的多孔碳材料是一种较理想的提高碳材料电化学性质的方法。然而目前所制备的高比表面积的多孔碳材料大多数的都是粉末状不具备自支撑特性，这就导致了在电极制作的过程中，需要添加粘结剂和活性炭进行涂浆的方式制作电极。这种制备方式使得电极材料具有较大的接触电阻以及降低了活性材料和电解液的有效接触面积，因此限制了这种高比表面积的多孔碳材料的电化学性质的进一步提高。

目前获得的相关高比表面积的多孔碳材料，要么是微孔结构占主导的碳材料，虽然具有高的比表面积，但是比电容并没有很大程度上的提高；要么涉及到步骤繁琐、过程复杂、条件苛刻以及成本高等问题，限制了其在超级电容器中进一步应用。

发明内容

鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种自支撑多孔碳纳米材料的制备方法，该电极材料制备方法简单。

一种自支撑电容器电极材料的制备方法，具体是按照以下步骤制备的：

步骤1：配制2g聚丙烯腈和2g聚乙烯吡咯烷酮的N,N-二甲基甲酰胺前驱体溶液10ml；

步骤2：将泡沫镍浸渍在上述前驱体溶液中，使得前驱体溶液完全充满泡沫镍的孔隙中。

步骤3：将步骤2含有前驱体溶液的泡沫镍取出，放入去离子水中并保持一小时。由于相分离原理，在此过程中获得泡沫镍支撑的多孔聚丙烯腈薄膜前驱体。

步骤4：将步骤3所得到的泡沫镍支撑的多孔聚丙烯腈薄膜置于80摄氏度烘箱12h烘干。

步骤5：将步骤4中所得泡沫镍支撑的多孔聚丙烯腈薄膜前驱体置于管式炉中，在惰性气氛中热处理，所述处理的温度为800~1000摄氏度，更优选为900摄氏度，升温速率为5摄氏度每分钟从室温升温到优选温度。

步骤6：将步骤5中获得的碳化后的产物浸泡在10 mol/L氢氧化钾水溶液中12小时后，取出置于80摄氏度烘箱12h烘干。

步骤7：将步骤6中得到的带有氢氧化钾的碳化产物置于管式炉中，在惰性气氛中热处理，所述处理的温度优选为750摄氏度并保持一小时，升温速率为3摄氏度每分钟从室温升温到优选温度。

步骤8：将步骤7所得产物，现用稀盐酸浸泡，然后用去离子水多次清洗。最终得到泡沫镍支撑的多孔碳纳米电极材料。

利用本发明的自支撑电容器电极材料的制备方法，制备的高比表面积的多孔碳材料，组装成的纽扣电池（CR2025），电解液为6 M 氢氧化钾水溶液，在0.25 A/g的电流密度下其电池电容值高达73 F/g，同时具有非常好的大电流充放电能力，即在30 A/g的电流密度下其比电容仍保持58 F/g，表现出了良好的超级电容器性能。

本发明的自支撑电容器电极材料的制备方法，制备工艺简单、流程短、设备依赖性低、适用于工业化大规模生产。

本发明的制备方法制得的自支撑电容器的电极材料，能够用于超级电容器的电极中，得到性能优良的电极，从而提高该电极材料的超级电容器的性能。

附图说明

附图1为实施例1制备的自支撑多孔碳电极材料的扫描电镜照片；

附图2为实施例1制备的自支撑多孔碳衍射谱（A）和X射线光电子能谱（B）;电极材料的X射线；

附图3为实施例1制备的自支撑多孔碳电极材料的氮气吸附-脱附等温性曲线（A）和通过NLDFT方法计算得到的孔径分布（B）；