[发明专利]用于超级电容器电极的介孔碳复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于超级电容器电极的介孔碳复合材料的制备方法，属于超级电容器领域。

背景技术

超级电容器作为一种储能器件，与化学电源组成混合电源系统被认为是解决电动汽车驱动的最好方法之一，而电极材料是决定超级电容器性能的关键因素。目前应用于超级电容器的电极材料主要有三种：多孔炭、金属氧化物以及导电聚合物材料。其中多孔炭材料的研究最为成熟，目前已获得实际应用。活性炭、活性炭纤维、炭气凝胶、介孔碳等，由于具有高的比表面积都可用作超级电容器的电极材料。多孔炭材料是在电极/电解液界面通过电子和离子或偶极子的定向排列而产生双电层以形成双电层电容，具有高的充放电效率和长的循环寿命。多孔炭材料虽然廉价易得，但其比容量较低，一般在20-150F/g。而金属氧化物(氧化钌、氧化镍、氧化钴及氧化锰)和导电聚合物(聚苯胺及其衍生物、聚吡咯)在充放电过程中发生高度可逆的氧化还原反应，产生很大的赝电容，其比电容值是多孔炭材料的10-100倍，但其大电流充放电特性和循环性能差。因此将多孔炭与金属氧化物、导电聚合物复合制备电极材料，同时利用双电层电容和赝电容来提高电极材料的综合性能是全面提高超级电容器电极材料性能的新途径。

活性炭等虽然有高的比表面积，但其多数是由微孔表面产生，离子迁移阻力大(尤其是在有机电解液中)，因此其功率特性和频率响应特性欠佳。而有序介孔炭不仅具有高的比表面积、还具有均一的孔分布、孔径尺寸大和孔道排列高度有序的特点，这种结构具有发达的电子传输通道，降低了阻抗，可以提高材料容量和大电流充放电特性。因此将有序介孔碳作为载体与金属氧化物、导电聚合物进行复合，可以得到高比容量的、长的循环寿命的复合电极材料。

到目前为止，将介孔碳制成工作电极，采用电化学沉积的方法直接得到介孔碳复合物作为超级电容器电极材料的这种制备方法还未见相关文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种介孔碳复合材料的制备方法，并作为超级电容器的电极材料。

本发明是用于超级电容器电极的介孔碳复合材料的制备方法，其步骤为：

(1)以蔗糖为碳前驱体，将介孔硅分子筛、蔗糖、硫酸、水按照1∶1.25∶0.14∶5的比例，配制成混合溶液，然后放入干燥箱中在100℃的温度下保温6小时，然后升温至160℃保温6小时，进行初步炭化；

(2)将上述干燥后所得混合物进行研磨，将水、蔗糖、硫酸按照4.5∶0.8∶0.12的比例，配制成混合溶液，将研磨过的混合物加入到混合溶液中，然后放入干燥箱中在100℃的温度下保温6小时，然后升温至160℃保温6小时，进行初步炭化；

(3)将上述初步炭化产物在惰性气体N₂保护下加热到900℃，进行炭化，然后在室温下将炭化产物溶解于氢氧化钠溶液，或者质量分数为5％的氢氟酸溶液，脱除模板获得介孔碳。

(4)按95∶5的比例称取介孔碳与粘结剂乳液，加入少许无水乙醇进行混合，均匀涂覆在作为导电基体的网上形成电极片，然后将此电极片在10Mp的压力下压制成片后放入烘箱中，在80℃的温度下进行干燥；

(5)采用电化学沉积的方法，得到介孔碳复合物，将其作为超级电容器的电极材料。

本发明将制备好的具有高比表面的介孔碳涂覆在导电基体上，质量和涂覆面积一定，制备成介孔碳工作电极，在不同的溶液体系中，通过电化学沉积的方法，直接在介孔碳工作电极上制备得到介孔碳/金属氧化物和介孔碳/导电聚合物电极材料，介孔碳的骨架支撑作用、有序的孔道结构和大的比表面积，使复合材料进行法拉第反应的活性位增多，比容量得到提高；使离子在复合材料电极表面的电解液中的传质过程更容易进行，介孔碳的支撑作用极大地抑制了电极活性材料的团聚，使材料的充放电寿命得到大幅度的提高。此方法能够免去传统电极材料制备过程中的复杂工艺，直接得到介孔碳复合电极材料，该方法能够简化复合物的制备周期，并大大降低了材料的阻抗，有利于电子传输过程和功率特性的提高。

具体实施方式

下面依照上述方案，结合实施例进一步展开本发明的实质内容和技术特点，但本发明决非仅仅限于所述实施例。

实施例1：

采用两步法制备介孔碳，具体步骤如下：

(1)以蔗糖为碳前驱体，首先将1g介孔硅分子筛浸入到1.25g蔗糖、0.14g硫酸、5.0g水的混合溶液中，然后将混合物放入干燥箱中，在100℃的温度下保温6小时，后升温至160℃保温6小时，进行初步炭化。