[发明专利]锂离子超级电容器电极材料BCN纳米管的制备方法

说明书

一种锂离子超级电容器电极材料BCN纳米管的制备方法，包括以下步骤：(1)将硼源、碳源和氮源前驱体溶于去离子水溶剂中，制得混合溶液；(2)将混合溶液加热干燥；(3)冷却得到白色粉末；(4)将白色粉末放入管式炉中，通入惰性气体，高温锻烧，自然降温后制得BCN纳米管。制备的BCN纳米管作为制备锂离子超级电容器的正极和负极材料组装锂离子超级电容器。本发明首次提出通过简单的一步煅烧法成功地得到不同B元素和N元素含量的BCN纳米管材料，其长度为5‑10μm，直径为200‑500nm，应用于锂离子超级电容器正极和负极中，组装的锂离子超级电容器能够实现高达4‑5V的电压窗口，具有比容量高、循环稳定性好，功率‑能量密度优秀的特点。

技术领域

本发明涉及一种用于锂离子超级电容器电极材料的BCN纳米管的制备方法，属于锂离子超级电容器电极材料制备技术领域。

背景技术

随着全球经济的快速发展，新能源体系的建设对储能器件提出了更高的要求。电动汽车的迅猛发展以及移动式电子设备的广泛应用都需要一种安全、高能量密度和长循环稳定性的储能元件。在众多能源转化和存储器件中，锂离子电池和超级电容器成为研究和探讨的主要热点。通常，锂电的能量密度可达150-200Wh/kg,但是较低的功率密度和循环性能限制了其使用范围，这主要是由于氧化还原反应机理限制了锂离子在活性材料里的传输和转化效率。而以静电吸附机理为主的超级电容器功率密度可达5-10kW/kg,但能量密度却比较低。因此，如何构建一种兼具高能量密度和高功率密度的新型储能器件尤为重要。

锂离子超级电容器作为一种新型的非对称电容器，在电极材料上结合使用了锂离子电池负极材料和超电正极材料，实现了两者的特性互补，具有比锂离子电池更高的功率密度，比超级电容器更高的能量密度，安全性能好，可以满足实际应用中负载对电源系统电化学性能的整体要求。现阶段，锂离子超级电容器的能量密度约为传统超级电容器的2倍，但是相比于锂离子电池来说还有很大的上升空间，进一步提升锂离子超级电容器的能量密度是该领域一个很重要的课题。根据超级电容器的能量密度计算公式：E＝1/2CV²，可见能量密度主要取决于电极材料的容量匹配和扩展电压窗口。

目前，大量文献集中于对负极材料的研究报道并取得了不错的成果。而对于正极材料的选择主要集中在活性炭、石墨烯等碳材料上，并且组装成锂离子超级电容器的电压窗口大都不超过4V。

因此寻找一种能够有效匹配并且拓展器件电压窗口的新型电极材料对于提高能量密度具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有锂离子超级电容器的电压窗口不超过4V的不足，提供一种具有超高电压窗口的锂离子超级电容器电极材料BCN纳米管的制备方法。

本发明的锂离子超级电容器电极材料BCN纳米管的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硼源、碳源和氮源前驱体溶于去离子水溶剂中，超声分散均匀，制得混合溶液；

(2)将步骤(1)制得的混合溶液加热干燥；

(3)冷却后取出，得到干燥的白色粉末；

(4)将白色粉末放入管式炉中，通入惰性气体，设定温度，升温速率，保温时间，自然降温，制得BCN纳米管。

所述硼源、碳源和氮源的质量比为0.01-1：0.5-5：5.5-10。

所述硼源包括但不限于硼酸、四硼酸钠、硼酸钾、偏硼酸钠等含硼化合物。所述氮源包括但不限于尿素、氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵等含氮化合物。所述碳源包括但不限于聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮等含碳高分子化合物。

所述碳源分子量包括但不限于1000-8000。

所述步骤(1)中超声分散时间为30～60min。

所述步骤(2)中加热温度和加热时间分别为80-120℃和10-24h。