[发明专利]密胺树脂改性的富氮多孔碳纤维电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及功能化材料的生产技术领域，具体涉及一种超级电容器电极材料的制备工艺。

技术背景

随着全球经济的迅猛发展和人口的急剧增长，能源危机和环境恶化问题日益受到人们的关注。在这种情况下，科研人员纷纷把精力投入到环境友好，高效可再生能源的研究中。目前主要新型储能装置包括锂离子电池，超级电容器等。超级电容器具有功率密度高，充电速度快，使用寿命长，环境友好等优点，从而受到广泛关注。超级电容器分为双电层和赝电容类型。双电层电容器的电极材料主要是碳材料，赝电容电容器的电极材料主要包括金属氧化物和导电聚合物。

应用于超级电容器的碳材料需要具有高的比表面积，可控的孔结构，可调的表面化学活性等特点。一方面，碳材料的孔道结构越丰富，有效比表面积越大，电容器的比电容一般也越大。但是，单一的增大比表面不一定会对材料的比电容有很大的提高。如专利号为200510031195.7的中国发明专利公开了一种高比表面积碳材料制备方法及超级电容器制造方法，其采用KOH活化法制备出了比表面积高达2000～3000m²/g的活性碳材料，但其比电容仅为84F/g。另一方面，碳材料的表面化学组成（杂原子N、S等的含量）也严重影响着电容器的比电容。碳材料主要的造孔方法为模板法和活化法。模板法需要选择具有特殊结构的模板剂，并且制得碳材料后需要除去造孔剂，操作工艺繁琐，成本较高。活化法制得的多孔碳材料，孔分布不易调控，并且大量的氮元素会在活化的过程过流失。而通过氮元素的掺杂，可以有效调变碳材料的形态、结构和化学性能，以增加碳材料的亲水性；并且，氮元素在充放电中会参与电极反应（法拉第赝电容），从而必将进一步提高碳材料的比电容。清华大学的QiangXu（JournalofElectroanalyticalChemistry,739,2015,84-88）采用同轴静电纺丝并水洗制备了中空纤维，并在碳化过程中引入氨气作为氮源成功的引入氮元素，制得了中空含氮碳纤维。但该方法操作复杂，同轴静电纺丝条件不易控制，且氮在高温碳化过程引入得到的纤维含氮量不高。

发明内容

本发明的目的是要解决现有方法制备的多孔含氮碳电极材料生产工艺复杂繁琐，大部分掺氮及造孔需分步进行，生产成本高的不足等缺陷，提供一种比电容量较高的超级电容器材料的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）将三聚氰胺和甲醛混合后，在混合体系的pH值为8.5～9.5的条件下进行反应，反应结束后加入甲醛，析出密胺树脂；

2）将聚丙烯腈溶解于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，再加入密胺树脂搅拌溶解，制得纺丝液；

3）将纺丝液经高压静电纺丝，取得MF/PAN复合纤维；

4）将MF/PAN复合纤维经预氧化处理和碳化处理，取得富氮多孔碳纤维电极材料。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、密胺树脂（MF）在整个制备过程中起到了氮掺杂和造孔双重作用，解决了现有方法制备多孔含氮碳电极材料生产工艺复杂繁琐，掺氮和造孔需要分布进行的问题，提高了生产效率，降低了生产成本。

2、采用聚丙烯腈作为纺丝前驱体，解决了现有聚乙烯醇水溶液纺丝，原丝和碳化后纤维形貌差的问题。

3、制得的多孔富氮碳纤维具有较高的比表面积，以及丰富的微孔及中孔。制备的超级电容器电极具有较高的单位比电容。

4、本发明工艺简单，一步实现掺氮及造孔。

进一步地，本发明所述三聚氰胺与甲醛的混合摩尔比为1∶4.5～5.5，以三乙醇胺调节pH值，在80℃下水浴反应。该条件下得到的密胺树脂固含量高，且该聚合度下的密胺树脂可溶解于极性溶剂DMF中，以便配制纺丝液。

所述纺丝液中，聚丙烯腈占聚丙烯腈和N,N-二甲基甲酰胺总质量的质量百分比为9～11%，密胺树脂与聚丙烯腈的混合质量比为20～100∶100。该投料比配制的纺丝液黏度适中，便于静电纺丝。

所述高压静电纺丝时，环境温度≤40℃，环境湿度≤30%，纺丝电压为16～20kV，推注速度为0.1～0.5mm/min，接收距离为15～20cm。温度和湿度的控制有助于纺丝过程中溶剂的挥发，便于成丝，且该条件下得到的纤维原丝尺寸分布均匀，直径较小。