[发明专利]一种利用稀土/3D多级孔道炭复合材料制备超级电容器的方法

说明书

本发明公开了一种利用稀土/3D多级孔道炭复合材料制备超级电容器的方法，其关键技术包括自模板法、原位置换、协同活化、自组装。具体步骤为：（1）稻壳预处理，将稻壳用稀碱溶液除去不起模板作用的二氧化硅制成稻壳前驱体；（2）将稻壳前驱体、稀土氧化物与碱液混合均匀，水热法同步溶硅原位置换，经抽滤、洗涤、干燥后与活化剂混匀，在管式炉中保温协同活化，降温后，经反复洗涤、干燥、研磨获得复合材料；（3）将稀土/3D多级孔道炭复合材料、导电剂、粘合剂按比例混均匀，擀制成片、干燥后裁成方形片，再与集流体压制成混合电极；将相同的两个混合电极组装在纽扣电池中，装入电解液与隔膜，使用封装机封装，组成纽扣式超级电容器。

技术领域

本发明属于储能超级电容器技术领域，具体涉及一种利用稀土/3D多级孔道炭复合材料制备超级电容器的方法。

背景技术

电动汽车和便携式电子产品对移动电源的需求不断增加，这促使人们加大了开发高性能电化学储能(EES)设备的研究力度。EES设备应具有存储大量能量(即高能量密度)和快速充放电(即高功率密度)的能力。超级电容器(又称电化学电容器)是当今市场上的主要电子元件技术，具有功率密度高，但能量密度有限的特点。在基本水平上，超级电容器涉及离子在两个电极之间的穿梭和存储，加上外部电路中的电子流动。因此，电极材料必须有效地将足够数量的离子送入电极，并将足够数量的电子送入外部电路。在超级电容器中，储能的本质是在电极材料中以离子的形式存储电荷，能量以吸附离子的形式存储在多孔碳电极与电解质的界面上。离子通过液体电解质快速地传递到电极表面，电子通过高导电的碳电极快速地传递到外部电路。因此，超电容器通常表现出快速充电或放电行为具有高功率密度(~ 10 KW/kg)。然而，可以存储在表面上离子的总数是有限的，因此整体能量密度偏低(15 Wh/kg)。

商用超级电容器电极炭材料主要依靠活性炭，活性炭的比电容值低(120 F/g)，充放电率低(10 A/g)。由于超级电容器的储能依赖于表面电荷的吸收，因此高性能超级电容器电极需要大的离子可达表面积、高导电性、高离子输运率和足够的电化学稳定性。多孔炭负载稀土元素是一种可以提高活性炭电化学性能的方法，一般负载稀土/活性炭复合材料的制备方法有简单混合法、高温固化法、两步法等方法。

CN105513813A公开了一种掺Ce聚苯胺/活性炭混合型钮扣超级电容器的制备方法，首先通过自组装法制备聚苯胺中空微球再分散于Ce³⁺溶液中分散均匀后制得掺Ce聚苯胺/活性炭复合材料，将其在有机溶剂中超声分散再碾压成正极薄片。

CN105983389A、CN106219544A和CN106185925A公开了一种高温固化法制备稀土/炭复合材料的方法，即将沥青或植物粉与稀土化合物混匀后，先后经过两次炭化、一次活化获得稀土/炭复合材料。高温固化法能够使稀土元素与炭材料结合的更加牢固。

CN105957732A公开了一种两步法，即先将CeCl₃·7H₂O和尿素水热法制备纳米CeO₂，然后将纳米CeO₂与活性炭经研磨、加入导电剂和粘结剂制成复合电极材料。CN104779072A公开了一种PVC基活性炭负载氧化镧复合电极材料及其制备方法，也属于两步法，首先将废弃的PVC与氢氧化钙经炭化、活化制备炭前驱体，再将前驱体与过氧化二异丙苯在氨气氛下经退火制成复合材料。CN104923181A公开了两步法制备混合稀土（镧/钇）/活性炭复合材料的方法，首先将生物质经热解炭化、ZnCl₂浸渍活化制备炭前驱体，再将混合稀土与炭前驱体混合造粒成小球。CN108970580A公开了一种制备轻稀土/生物质炭复合材料的方法，将秸秆生物质与活化剂经活化后制成炭前驱体，再与轻稀土可溶性盐浸渍、高温固化制成一种稀土磁性复合活化生物炭材料。

目前，负载稀土/活性炭复合材料一般应用于吸附领域，如脱硫催化剂、水处理剂等。在超级电容器中的应用鲜有报道。3D多级孔道炭是比活性炭比表面积更大、孔隙更发达、孔道结构更有规则性的炭材料，是一种比较理想的超级电容器用电极材料。

发明内容