[发明专利]一种高性能电极材料的制备方法

说明书

所属领域

本发明涉及电极材料的制造方法，具体涉及一种制备活性炭/炭纳米纤维复合功能材料的方法。

技术背景

双电层超级电容器作为一种新型能源器件兼有电容和电池的双重功能，其功率密度远高于普通电池，能量密度远高于传统的物理电容，可作为一种新型的蓄电装置被用于便携设备等的后备电源。双电层超级电容器技术的重点在于能量密度和功率密度所需的低成本电极材料，及工作电压高、电化学性能稳定、电导率高和使用寿命长的电解质体系。

电极的结构和性能对电容器的性能起着决定性影响，目前用于电容器的电极材料可分为三类：金属氧化物、高分子导电聚合物和碳基电极材料。采用金属氧化物和高分子导电聚合物作为电极材料的电化学电容器生产成本高，且电化学稳定性差，其应用推广受到限制。碳基电极材料由于其来源广泛、制备成本低、化学物理性能稳定、孔结构丰富可调获得广泛的应用。

用作双电层超级电容器电极的碳材料主要包括活性炭、活性炭纤维、炭气凝胶、炭纳米管(炭纳米纤维)、玻璃碳、碳纤维、高密度石墨和热解聚合物基体所得的泡沫炭等。炭纳米纤维或多壁炭纳米管具有极高的导电性和表面特性，但其比表面积较低，制造成本高不利于推广应用。活性炭来源广泛价廉易得，化学稳定性好，孔结构丰富，比表面积大，是目前应用最广的炭基电极材料，普通的活性炭比电容在150F/g以下，能量密度小于3KW/Kg，其根本原因是材料导电性差，接触电阻大，自放电现象严重，限制了超级电容器在许多要求高能量密度领域的应用。解决问题的方法是在电极中添加导电组份。JP008890/2001T和CN1379497A中提出采用乙炔黑为导电质提高活性炭电极的导电性。添加物对容量几乎没有贡献。JP2006/302294和CN1942985A提出在电极材料中添加炭纳米纤维作为导电组份，通过有机物分散、烧结等多步工艺得到性能较好的电极材料，但工艺复杂且高温炭化烧结过程对材料的孔结构影响较大，不利于综合性能的提高。JP2001-135554中应用活性炭与炭纳米纤维直接混合的方法制造电极，但由于纳米纤维的自聚集现象，不易混合均匀，球磨混合过程对炭纳米纤维有严重的损伤，在材料性能稳定性上有缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单，材料性能稳定性好的活性炭/炭纳米纤维复合材料的制备方法，该材料具有较高的比表面积和高的导电性。

本发明的制备方法包括如下步骤：

(1)将VIIIB金属化合物：表面活性剂∶有机醇∶水按质量比100∶10-150∶50-300∶50-300的比例混合溶解为均相液体，在40-90℃下恒温8-24小时，形成稳定的溶胶液；

(2)按金属化合物与活性炭质量比为100∶70-2000，将溶胶液加入活性炭中，搅拌，室温下放置12-24小时，加入碱液调节PH值在7-9之间，在90-130℃下干燥，得到预制料；

(3)在氮气保护下，以升温速度0.5-15℃/min，从室温升温到350-500℃分解温度，恒温60-180min，然后通入氢气还原60-180min，以0.5-15℃/min继续升温到600-1100℃，通入炭源气与载气体积比为5％-70％组成的混合气，通入量为1-50ml/min.g预制料，进行气相沉积1-5小时，然后将体系温度调至800-900℃，通入水蒸气活化20-60min，在氮气保护下自然冷却到室温，得到出炉料；

(4)将出炉料加入10wt％-30wt％的酸液中浸泡10-24小时，必要时搅拌或超声处理，过滤，用去离子水洗至中性，110-140℃下干燥至恒重，得到活性炭/炭纳米纤维复合材料。

如(1)中所述的表面活性剂为聚乙烯醇、聚环氧烷类非离子表面活性剂、淀粉改性物、壳聚糖改性物等其中之一或任意几种的组合。

如(1)中所述的有机醇指乙醇、乙二醇、丙三醇、2-丁醇等其中之一或任意几种的组合。其中有机醇和水的比例以4-2∶1之间效果最好。

如(1)中所述的VIIIB金属化合物指铁、钴、镍的硝酸盐、硫酸盐、盐酸盐、甲酸盐、乙酸盐、乙醇盐和二茂铁、二茂镍等其中之一或任意几种的混合物。

如(2)中所述的碱包括氨水、二乙胺、三乙胺、三乙醇胺和氢氧化钾、氢氧化钠、尿素的水溶液。其中二乙胺、三乙胺、三乙醇胺及尿素的效果最好。

如(2)中所述活性炭包括煤基活性炭、石油焦基活性炭、沥青基活炭、竹炭、椰壳炭及其它生物质源活性炭，其粒径小于100微米，孔径分布集中在5nm以下。