[发明专利]一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法及其产品

说明书

本发明属于超级电容器相关技术领域，并公开了一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法及其产品。该制备方法包括下列步骤：S1选取多孔石墨炔作为基体，在该基体中掺杂非金属元素，使得该多孔石墨炔成为导体；在基体中掺杂非金属元素是指采用非金属原子取代所述基体中的碳原子；所述非金属元素为硼、氮、氧或者硫元素中的一种；掺杂方式为四价掺杂；多孔石墨炔为多孔石墨炔中氢取代石墨单炔，氢取代石墨二炔或者卤素取代石墨炔中的一种；S2将步骤S1中的导体多孔石墨炔作为电极，离子液体作为电解质，以此形成超级电容器。通过本发明，解决超级电容器能量密度低的问题。

技术领域

本发明属于超级电容相关技术领域，更具体地，涉及一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法及其产品。

背景技术

超级电容器具有功率密度高，充放电速度快，循环寿命长的优点，但其能量密度相对于电池而言较低。提高其能量密度而不降低其功率密度可以扩大超级电容器的应用范围。目前普遍使用三维纳米多孔碳材料，比如活性碳，碳化物衍生碳等，作为超级电容器电极提高其能量密度。但因为碳电极无序的结构，使得离子通道迂回复杂，这会降低超级电容器的功率密度。因此，发展新型的超级电容器电极材料十分必要。

多孔石墨炔是一种二维多孔碳材料，由于其规则的孔结构、可以精确调控孔径、大比表面积等优点，而有潜力应用于超级电容器电极，但是其电导率较低限制了其应用；电解质方面，室温离子液体是一种完全由阴阳离子组成的低熔点液体，具有电压窗口高(通常大于3.5V)、电化学性能稳定，工作温度范围广等优点，非常适合用于超级电容器电解液。因此提高二维多孔的石墨炔的电导率，并结合离子液体，可以设计一种同时具有高能量密度和高功率密度的超级电容器。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法及其产品，解决超级电容能量密度和功率密度低的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法，该制备方法包括下列步骤：

S1选取多孔石墨炔作为基体，在该基体中掺杂非金属元素，使得该多孔石墨炔成为导体；

S2将步骤S1中的导体多孔石墨炔作为电极，离子液体作为电解质，以此形成超级电容器。

进一步优选地，在步骤S1中，所述在基体中掺杂非金属元素是指采用非金属元素取代所述基体中的碳元素。

进一步优选地，所述在基体中掺杂非金属元素采用的方法是吸附掺杂和晶格掺杂。进一步优选地，在步骤S1中，所述非金属元素为硼、氮、氧或者硫元素中的一种。

进一步优选地，所述掺杂方式为四价掺杂。

进一步优选地，在步骤S1中，在所述多孔石墨炔中掺杂非金属元素后，还需采用密度泛函理论来优化含非金属元素掺杂的多孔石墨炔结构，以此保证该掺杂有非金属元素的多孔石墨炔结构为导体。。

进一步优选地，当掺杂的元素为硼时，其质量分数为3.7％～22.6％；当掺杂的元素为氮时，其质量分数为4.7％～28％；当掺杂的元素为氧时，其质量分数为5.4％～30％；当掺杂的元素为硫时，其质量分数为10.2％～46.4％。

进一步优选地，在步骤S2中，所述离子液体为咪挫类离子液体、吡啶类离子液体、季铵盐类离子液体和季鏻盐离子液体中的一种或多种。

进一步优选地，在步骤S1中，所述多孔石墨炔为多孔石墨炔中氢取代石墨单炔，氢取代石墨二炔或者卤素取代石墨炔中的一种。

按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的制备方法制备获得的超级电容。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：