一種電容器電極材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電化學(xué)電容器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電容器電極材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的逐漸重視和不斷尋求清潔高效的可再生能源利用形式，超級(jí)電容器由于兼具了電池和傳統(tǒng)電容器的優(yōu)點(diǎn)，不僅在混合動(dòng)力汽車等新型能源裝置中具有巨大的潛在的應(yīng)用價(jià)值，在通信、航天、國(guó)防等方面也發(fā)揮著重要的作用，也因此成為廣大科研工作者關(guān)注和研發(fā)的對(duì)象。
[0003]電極材料作為超級(jí)電容器的關(guān)鍵組成部分，決定了超級(jí)電容器基本特性。碳材料因其廉價(jià)易得、工作溫度范圍寬、比重小、比表面積可調(diào)、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、化學(xué)穩(wěn)定性高、生產(chǎn)工藝成熟、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)常常被用于超級(jí)電容器電極材料。這種基于碳材料的超級(jí)電容器，也稱為雙電層電容器，具備高功率密度、大電流充放電能力、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性以及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的研究。然而這種雙電層電容器的能量密度相對(duì)較低，并不能夠滿足實(shí)際需求及應(yīng)用。目前，研究主要集中于提高碳材料的比表面積、調(diào)節(jié)孔徑分布、加入金屬氧化物提高贗比電容、或者引入雜原子(包括氮原子、氧原子、磷原子、硼原子)改變碳材料電子分布狀態(tài)，其目的都是提高電容器的電化學(xué)性質(zhì)。其中提高碳材料比表面積增加雙電層電容；調(diào)節(jié)孔徑分布改善電容器的大電流充放電能力；引入氮原子除了在一定程度上改善材料的導(dǎo)電性、潤(rùn)濕性等，主要是增加贗電容儲(chǔ)能效應(yīng)來(lái)獲得高比電容。因此具有高比表面積的氮摻雜多孔碳納米纖維材料是一種較理想的提高碳材料電化學(xué)性質(zhì)的方法。
[0004]通常制備高比表面積的氮摻雜多孔碳材料的方法有兩種:一種是碳材料在高溫下與氨氣等含氮小分子物質(zhì)的共熱處理；一種是對(duì)含氮大分子聚合物前驅(qū)體在高溫下的直接熱處理。相比于第一種方法，第二種方法通過(guò)調(diào)節(jié)處理溫度能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的、可控含量的氮元素引入而被大家所關(guān)注。目前使用最多的前驅(qū)體主要集中于三聚氰胺、聚苯胺、聚吡咯、聚丙烯腈以及生物蛋白等含氮高分子聚合物。目前獲得的相關(guān)高比表面積的氮摻雜多孔碳材料，要么是微孔結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)的碳材料，雖然具有高的比表面積，但是比電容并沒有很大程度上的提高；要么涉及到步驟繁瑣、過(guò)程復(fù)雜、條件苛刻以及成本高等問(wèn)題，限制了其在超級(jí)電容器中的而進(jìn)一步應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種高比表面積的氮摻雜多孔碳材料的制備方法，該電極材料制備方法簡(jiǎn)單。
[0006]一種超級(jí)電容器電極材料的制備方法，具體是按照以下步驟制備的:
步驟1:制備濃度為0.15g/ml聚丙烯腈的N，N 二甲基甲酰胺溶液10ml ;
步驟2:將上述溶液進(jìn)行靜電紡絲來(lái)獲得聚丙烯腈納米纖維。每次大約把2 ml上述溶液倒入醫(yī)用注射器中(注:注射器容積為10 ml;注射器針頭長(zhǎng)為2.5cm;注射器尖端外徑為0.7mm)。注射器尖端距收集板的距離為15~20cm，電極電壓為10 kV的條件下進(jìn)行紡絲，從而獲得直徑約為300 ~400nm的均勾的聚丙稀腈納米纖維布。
[0007]步驟3:量取30ml去離子水，并將0.5ml濃鹽酸和1.4 g無(wú)水氯化鐵先后放入并攪拌30min。將步驟2獲得的聚丙稀腈納米纖維布(注:lcm*2cm)放入此溶液，并使之充分浸潤(rùn)lOmin。在溫度為60攝氏度水浴條件下，向此溶液中滴加苯胺單體溶液，苯胺單體溶液的量?jī)?yōu)選為0.2ml~0.8ml,更優(yōu)選為0.4ml，并保持12h。
[0008]步驟4:將步驟3所得到的聚丙烯腈/聚苯胺產(chǎn)物，先后分別用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌3~5次，然后置于80攝氏度烘箱12h烘干，由此得到制備高比表面積氮摻雜多孔碳材料的前驅(qū)體。
[0009]步驟5:將步驟4中所得前驅(qū)體置于管式爐中，在惰性氣氛中熱處理，所述處理的溫度優(yōu)選為800~1000攝氏度，更優(yōu)選為900攝氏度，升溫速率為5攝氏度每分鐘從室溫升溫到優(yōu)選溫度。由此得到超級(jí)電容器電極材料，即高比表面積的氮摻雜多孔碳材料。
[0010]利用本發(fā)明的超級(jí)電容器電極材料的制備方法，制備的高比表面積的氮摻雜多孔碳材料，在1M稀硫酸水溶液中和0.5 A/g的電流密度下其比電容值高達(dá)335 F/g，同時(shí)具有非常好的大電流充放電能力，即在32 A/g的電流密度下其比電容仍保持175F/g，表現(xiàn)出了良好的超級(jí)電容器性能。
[0011]本發(fā)明的超級(jí)電容器電極材料的制備方法，制備工藝簡(jiǎn)單、流程短、設(shè)備依賴性低、適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
[0012]本發(fā)明的制備方法制得的超級(jí)電容器的電極材料，能夠用于超級(jí)電容器的電極中，得到性能優(yōu)良的電極，從而提尚該電極材料的超級(jí)電容器的性能。
【附圖說(shuō)明】
[0013]附圖1為實(shí)施例1制備的聚丙烯腈/聚苯胺復(fù)合纖維前驅(qū)體的掃描電鏡照片； 附圖2為實(shí)施例1制備的高比表面積氮摻雜多孔碳納米纖維材料的掃描電鏡照片； 附圖3為實(shí)施例1制備的高比表面積氮摻雜多孔碳材料的氮?dú)馕?脫附等溫性曲線
(a)和通過(guò)NLDFT計(jì)算得到的孔徑分布(b);
附圖4為實(shí)施例1制備的高比表面積氮摻雜多孔碳材料的X射線光電子能譜。
[0014]附圖5為實(shí)施例1制備的超級(jí)電容器電極材料在三電極體系下不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線(a)和(b);不同電流密度下的恒流充放電曲線(c)和(d)。
[0015]附圖6為實(shí)施例1制備的超級(jí)電容器電極材料，通過(guò)恒流充放電測(cè)試，得到的比電容-電流密度曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合代表性的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的超級(jí)電容器的電極材料的制備方法進(jìn)行說(shuō)明。并且以下實(shí)施例中所用的試劑均為市售。
[0017]實(shí)施例1
(1)稱取1.5g聚丙烯腈高分子溶解到lOmlN，N 二甲基甲酰胺溶液中，攪拌24h至均勻透明。
[0018](2)將步驟(1)中前驅(qū)體溶液進(jìn)行靜電紡絲來(lái)制備聚丙烯腈納米纖維。每次大約把2 ml上述溶液倒入醫(yī)用注射器中(注:注射器容積為10 ml;注射器針頭長(zhǎng)為2.5c