[发明专利]超级电容器材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料领域，具体涉及一种超级电容器材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池具有比能量大、循环寿命长、安全性好和环境友好等优点，被寄予厚望应用于动力汽车和混合动力汽车。但是锂离子电池存在比功率密度低的缺点，限制了其在动力汽车和混合动力汽车领域的应用。超级电容器的瞬间功率大、寿命长、快速充放电性能好、体积小、使用温度范围宽，有望弥补锂离子电池作为新能源汽车单一动力源的不足，从而大力推动新能源汽车的发展。

超级电容器分为双电层超级电容器和赝电容器。双电层超级电容器电极材料主要是碳材料，赝电容器电极材料主要包括金属氧化物和导电聚合物。目前，赝电容器由于价格昂贵、循环性能差等原因并未实现完全商业化。商业化超级电容器主要以双电层超级电容器为主。

多孔碳材料具有比表面积大、结构稳定、使用寿命长、性价比高等优势，成为商业化超级电容器的主要电极材料。多孔碳材料的制备方法主要是活化法和模板法，它们都存在工序繁多、能耗高、污染大、成本高等缺点。理论上，多孔碳材料的比电容量与其比表面积成正比，但是研究表明，并不是比表面积越大电容值越高，还与多孔碳材料的孔径大小、孔径分布、表面结构和表面电荷状态等因素有关。

专利号为200510031195.7的中国发明专利公开了一种高比表面积活性炭制取方法及超级电容器制造方法，其采用KOH刻蚀法制备了比表面积高达2000～3000m2/g的活性炭，比电容量仅为84F/g。据[Mingjiang Zhong，Eun Kyung Kim and John P.McGann et al.J.Am.Chem.Soc.2012，134，14846-14857]报道，以聚丙烯腈-聚丙烯酸丁酯双嵌段共聚物为前驱体制备的富含氮元素掺杂的多孔碳材料，虽然比表面积只有500m2/g，但是在1mol/L H₂SO₄电解液中比电容量仍高达(166±5)F/g，而且之后的CO₂活化和KOH刻蚀均对比电容量的提高没有显著作用。因此，元素掺杂对简化生产工艺、降低生产成本、制备高性能的超级电容器电极材料具有重要意义。

发明内容

本发明就是为了克服现有电极材料生产工艺复杂、生产成本较高、比电容量较低的技术问题，提供一种工艺简单、生产成本较低、比电容量较高的超级电容器材料的制备方法。

为此，本发明提供一种超级电容器电极材料的制备方法，其包括以下步骤：(1)将0.2～8wt％的无机酸加入有机溶剂中，再加入9～12wt％的聚合物，制得均匀的有机/无机混合溶液；(2)将步骤(1)得到的有机/无机混合溶液通过有机溶剂挥发或静电纺丝方法制得有机/无机复合材料；(3)将步骤(2)得到的有机/无机复合材料经过预氧化、低温处理及高温碳化得到碳材料；(4)将步骤(3)得到的碳材料制成超级电容器电极材料。

优选地，步骤(2)中的有机溶剂挥发条件如下：温度25～60℃、相对湿度≥30％的环境下，静置6～36小时。

优选地，步骤(2)中的静电纺丝工艺参数为：纺丝湿度＜30％，注射针头内经为0.6～1.8mm，纺丝液流量为0.2～0.8mL/h，静电电压为12～20kV，采用单针头或者多针头纺丝。

优选地，步骤(3)中的预氧化条件如下：在240～300℃进行预氧化，升温速度为1～10℃/min，降温速度为1～10℃/min，预氧化时间为1～5小时；低温处理条件如下：惰性气氛、300～500℃下，升温速度为1～20℃/min，保温时间为1～10小时；高温碳化条件如下：惰性气氛、600～1000℃下，升温速度为1～20℃/min，降温速度为1～20℃/min，碳化时间为0.5～10小时。

优选地，步骤(4)中，将80～95wt％的碳材料与0～10wt％的导电炭黑混合，依次加入5～10wt％聚偏氟乙烯和10～20倍于聚偏氟乙烯质量的N-甲基吡咯烷酮，搅拌成糊状；采用铂片作为集流体，把上述混合好的材料均匀涂在集流体铂片表面，制得超级电容器电极材料。

优选地，无机酸包括磷酸、多聚磷酸、亚磷酸、偏磷酸的一种或多种组合。

优选地，有机溶剂包括N，N-二甲基乙酰胺、N，N-二甲基甲酰胺、或N-甲基吡咯烷酮的一种或多种组合。

优选地，聚合物包括聚丙烯睛、聚酰胺、聚酰亚胺的一种或多种组合。