[发明专利]一种超级电容电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电容电极材料的制备技术领域，具体地说是一种一维FexN-C复合纤维超级电容电极材料的制备方法。

背景技术

进入二十一世纪后，能源短缺问题日益严峻，生态环境日渐恶化，高度依赖于传统非再生石化能源的发电模式势必将会逐步被核能、太阳能等新型能源取代。然而，由于新型能源存在间歇性、不稳定性以及地域分布不均匀性等缺点，因此其能量有效利用率低，发电功率稳定性差，对高效储能器件的发展已迫在眉睫。超级电容器作为一种高效的能源存储器件，具有高于传统电容器近百倍的能量密度，高于电池数十倍的功率密度，十万次以上的循环寿命及较宽的适用温度范围等优点，是介于传统电容器与电池之间的新型储能器件。近年来超级电容器已经得到研究者们越来越多的关注研究。因此，大力深入开展基于具有制备工艺简单、低成本、高性能的超级电容电极材料的研究，是提高超级电容器电化学性能的重要途径。

一维结构由于其结构的特殊性，使得其具有较其它结构更好的电子传输能力和更大的比表面积，这有利于提高其电容性能。目前，已有相应的报道证实了一维碳纤维具有良好的电化学稳定性，是适合的电极材料（New Carbon Materials, 2009, 24, 193；Journal of The Electrochemical Society, 1990, 137, 3052）。但是碳纤维的比容量主要来自于双电层，存在比容量低等缺点。使用赝电容材料与碳纤维复合已成为超级电容器电极材料领域的研究热点及发展趋，碳纤维与过渡金属氧化物复合作为超级电容器电极材料（Electrochimica Acta, 2015, 178, 171）已被证明具有良好的电化学性能。

过渡金属氮化物，由于其高导电率、高容量和低电极电势的特性，成为了一种新兴的具有广泛应用前景的电能存储材料，主要被应用于燃料电池，锂离子电池和超级电容器等方面（Nano Lett, 2013, 13, 2628; Nano Energy, 2014, 7, 104）。目前，FexN已被应用到锂离子电池负极材料并取得优异的储锂性能（Nano Energy, 2015, 11, 348）。但是到目前为止，还没有关于FexN-C复合纤维的相关报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种超级电容电极材料的制备方法，采用含有Fe元素的纺丝液并以静电纺丝制备纤维前驱体，然后经碳化和氮化处理制得具有不同氮化铁的一维Fe_xN-C复合纤维，将其与乙炔黑和聚乙烯醇混合后涂布在石墨纸上烘干，制得用于超级电容电极材料，具有比容量高、循环性能优良等优点，制备方法简单、成本低廉，易于实现工业规模化应用。

实现本发明目的的技术方案是：一种超级电容电极材料的制备方法，其特点是采用含有Fe元素的纺丝液并以静电纺丝制备纤维前驱体，然后经碳化和氮化处理制得具有不同氮化铁的一维FexN-C复合纤维，将其与乙炔黑和聚乙烯醇混合后涂布在石墨纸上烘干，制得超级电容电极材料，具体制备包括以下步骤：

a、纤维前驱体的制备

将含铁元素前驱体溶液与聚合物和溶剂按质量体积比为1～4 g:10 g:100 ml混合成纺丝液，采用静电纺丝制备纤维前驱体，所述含铁前驱体溶液为Fe(acac)₃、FeCl₃、Fe₂(SO₄)₃或Fe(NO₃)₃；所述聚合物为PAN、PVA或PVP；所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺与乙醇按1:1体积比混合的溶液或去离子水。

b、复合纤维的制备

将上述纤维前驱体在100~300 ℃温度下，保温1~3 h进行预氧化处理，然后在500~600 ℃温度下，保温1~5 h进行碳化处理，获得的氧化铁颗粒为一维Fe₂O₃-C复合纤维，所述预氧化升温速率为1~5 ℃/min；所述碳化升温速率为1~10 ℃/min。

c、FexN-C复合纤维的制备

将上述制备的一维Fe₂O₃-C复合纤维在NH₃气氛和400~800 ℃温度下，保温1~5h进行氮化处理，获得直径在200~500 nm，表面均匀分布有1~50 nm的FexN颗粒，为具有不同氮化铁的一维FexN-C复合纤维，所述氮化升温速率为1~10 ℃/min。