[发明专利]超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种介孔活性碳纤维及其制备方法，具体地说涉及一种超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维及其制备方法。

背景技术

活性碳纤维ACF(Activated Carbon Fibers)是在上世纪70年代开发并逐渐工业化的新型高效吸附材料，它具有独特的化学结构、物理结构和优异的吸、脱附性能，因而被广泛应用在化学工业、环境保护、辐射防护、电子工业、医用、食品卫生等方面，而且越来越受到人们的关注。

但目前生产的ACF产品大多为微孔型，孔径分布在1～2nm，这种活性碳纤维在气相吸附中具有吸附、脱附速度快的优点，使其特别适用于气相和液相低分子量分子的吸附，但它无法吸附较大分子。从而限制了它在较大分子领域如催化、电子、医药及液相吸附、超级电容器等方面的应用。

近几年活性炭纤维在超级电容器方面的应用研究成为一大热点。但研究表明，介孔发达而且具有合适孔径分布的材料才对形成超级电容器的双电层有利。因为水溶液体系电解液中的阳离子是由水分子包围而形成的水合离子，约在0.5～1nm范围内，在形成双电层时，微孔(＜2nm)丰富、比表面积较高的电极材料，由于微孔的尺寸与电解液的分子大小相当甚至小于电解液分子，电解液很难达到对其内表面的浸润因而难以形成双电层；而过多大孔的存在，电解液又不能有效利用其空间，而且材料的比表面积和强度都会大幅度下降，其静电容量也会大幅下降；只有合适孔径的介孔才适合于水合离子形成双电层以及充放电过程中离子的自由移动，其静电容量可得到大幅提高。但是接近2nm或50nm的介孔又都对形成双电层不利。因而需要设计孔径在2-50nm左右且介孔率达到40％的介孔ACF做电极材料，这样其大孔、介孔和微孔能够紧密连接，介孔率较高，孔径分布合适，孔道通畅，有利于电解液的传输和吸附，可制备大容量超级电容器电极。图1为活性碳孔径与电双层的关系及活性碳与电解液的界面模型。

发明内容

本发明的目的在于开发一种具有合适介孔结构(10-20nm的介孔率≥30％，总介孔率≥50％)、并兼具较高强度的聚丙烯腈基活性碳纤维(PAN-ACF)及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维，其特征在于，包括：聚丙烯腈活性碳纤维，所述的聚丙烯腈活性碳纤维中分布有介孔。

优选地，所述的聚丙烯腈活性碳纤维的10～20nm的介孔率≥30％、总介孔率≥50％。

优选地，所述的聚丙烯腈活性碳纤维的强度为0.4～1.0GPa。

本发明还提供了上述的超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将有机化合物作为造孔剂加入溶剂中，然后在50～80℃下搅拌3～24小时，得到含有造孔剂的溶液；将聚丙烯腈浆料与所述的含有造孔剂的溶液混合、搅拌，在50～80℃的恒温水浴中加热3～24小时，然后在恒温水浴中于30℃～40℃继续搅拌24～48小时，取出，在烘箱中于50℃～60℃进行脱泡处理，处理时间为24～48小时，得到混合纺丝原液；

步骤2：将步骤1所得的混合纺丝原液采用湿法纺丝工艺进行纺丝，得到混合原丝；

步骤3：将步骤2所得的混合原丝在催化扩孔剂溶液中浸渍5～24小时，在80～120℃烘干后放入活化炉中，在空气气氛中于200～300℃预氧化2～5小时，得到预氧化丝；在活化炉中通入惰性气体，将预氧化丝以升温速率5～10℃/分钟升温到600～900℃，当温度升至750～850℃时开始通入活化剂，在750～850℃恒温5～120分钟，停止通入活化剂，然后以5～10℃/分钟的速率降温至200℃，停止通入惰性气体，随炉冷却后取出，用水或者溶剂洗涤，得到超级电容器电极用聚丙烯腈介孔活性碳纤维。

优选地，所述的步骤1中的有机化合物能够与聚丙烯腈混溶，且分解温度比聚丙烯腈低。

优选地，所述的步骤1中的有机化合物为乙烯基吡啶、甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚乙烯基吡咯烷酮、低温热解共聚聚丙烯腈、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、乙酰丙酮镍、乙酰丙酮铂和二茂铁中的至少一种。

优选地，所述的步骤1中的含有造孔剂的溶液中有机化合物的浓度为15％～30％。

优选地，所述的步骤1中的溶剂为二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺，二甲基亚砜和浓硫酸中的至少一种。

优选地，所述的步骤1中的聚丙烯腈浆料中聚丙烯腈的浓度为15％-30％。