[发明专利]兼具高能量密度和高功率密度的氮掺杂互联中空碳纳米洋葱结构的制备

说明书

本发明公开了一种尺寸均一的氮掺杂互联中空碳纳米洋葱结构的制备方法，及其作为高性能超级电容器电极材料的应用。所述互联中空碳纳米洋葱的制备包括金属氧化物纳米颗粒模板的制备、碳化、纯化、石墨化及氮掺杂等过程获得氮掺杂互联中空碳纳米洋葱结构。所述结构中，石墨层通过共价键互联形成碳洋葱碳骨架和互联互通的孔结构，具有高比表面积、高导电性和离子快速传输的结构优势，作为超级电容器电极材料可同时获得高能量密度和高功率密度。器件最高能量密度可达到168.9Wh kg^‑1，并且在45.2Wh kg^‑1的能量密度下能够达到400kW kg^‑1的高功率密度。本发明为面向兼具高能量密度和高功率密度的超级电容器电极材料提供了结构设计与制备方案。

技术领域：

本发明属于碳材料制备技术领域，具体涉及一种尺寸均一的氮掺杂互联中空碳纳米洋葱结构的制备方法，该结构作为超级电容器电极材料可同时获得高能量密度和高功率密度。

背景技术：

超级电容器是新型电化学储能器件，具有高功率密度，高倍率性能、寿命长和稳定等优点。目前，超级电容器常用的电极材料为活性炭、碳纳米管、石墨烯等碳基材料，功率密度可以达到30kW kg^-1，高于电池1～2个数量级，在风力发电系统、新能源汽车、智能分布式电网系统、分布式储能系统、军用设备、能量回收等领域具有广泛的应用。目前，商超级电容器能量密度＜10Wh kg^-1，远小于电池的200Wh kg^-1，低能量密度制约了超级电容器在不同场景的应用。因此，为了实现超级电容器在不同应用领域中更好的应用，电极材料需要兼具高能量密度和高功率密度。

离子液体电解液可以显著提高超级电容器的能量密度，但离子液体电解液离子尺寸大、粘度高，会降低功率密度。目前常见的碳基电极材料中，活性炭主要以微孔为主、孔结构复杂，离子液体电解液中的阴、阳离子在孔内部扩散困难，倍率性能差，虽提升了能量密度但牺牲了功率密度。碳纳米管、石墨烯薄膜等碳基材料孔结构不规则、石墨烯片层堆积，影响倍率性能和功率密度。

碳纳米洋葱是具有独特的同心石墨壳层卷绕的球体结构，其在高功率储能的应用中具有结构优势，已经有文献证明了碳纳米洋葱的表面利于电解液浸润，离子可及性好，离子迁移快，其在离子液体中低温下仍能保持快速的充放电能力，有望在离子液体中的获得高功率密度。但目前，碳纳米洋葱颗粒之间或彼此孤立、或仅靠范德华力连接，导电性较低，影响了比电容和能量密度的提升。因而，开发一种基于碳纳米洋葱的新型结构，在保证其高功率密度的前提下提升其能量密度，对于离子液体超级电容器兼具高能量密度和高功率密度具有重要意义。

发明内容：

为了克服上述现有技术的不足，本发明合成了一种氮掺杂互联中空碳纳米洋葱结构。借助金属氧化纳米颗粒致密排列形成其表面共价互联的石墨层，构筑整体范围内互联中空碳纳米洋葱结构，石墨层整体互联可以提升材料的导电性和比电容，中空结构可以提供电荷存储空间并提升质量比电容，且石墨层高度石墨化利于导电性的提高和离子的快速迁移。氮元素掺杂可提供更多的电化学反应位点，提升其比电容。该材料还具有互联互通的多级孔结构，包括大量的微孔和介孔，利于大尺寸离子在材料内部的快速迁移和存储。氮掺杂的互联中空碳纳米洋葱的结构优势和特点使材料兼具高能量密度和高功率密度

本发明解决以上技术问题所采用的技术方法是：兼具高能量密度和高功率密度的氮掺杂互联中空碳纳米洋葱结构的制备方法，所述方法包括：

1)Fe₃O₄纳米颗粒模板的制备：首先按特定比例将Fe₂O₃、油酸和1-十八烯在N₂气氛中混合搅拌，在100～340℃的温度区间将混合溶液进行保温发生反应，最终合成出表面修饰有油酸配体的单分散且尺寸均一的Fe₃O₄纳米颗粒，降至室温后用非极性有机溶剂纯化和稀释，获得Fe₃O₄纳米颗粒的分散液。