[发明专利]一种超级电容器用多孔炭电极材料的制备方法

说明书

所属领域：

本发明属于多孔炭材料制备领域。具体涉及一种超级电容器用多孔炭电极 材料的制备方法。

背景技术：

超级电容器是一种储能性能介于传统电容器和二次电池之间的新型储能装 置，具有比二次电池更高的功率密度，比传统电容器更高的能量密度，在短时 高功率放电工作状况下有着二次电池和传统电容器无法比拟的优势。超级电容 器在重要电子系统的过渡供电，尤其是作为电动汽车的启动制动电源、微波武 器和激光武器的超大脉冲功率发射电源等方面有着突出的应用前景。

超级电容器具有与电池类似的结构，主要由电解液和电极材料构成。电极 材料是影响其性能的重要因素。目前，实现民用商品化电极材料的主要是活性 炭和活性炭纤维。一般活性炭在水性电解液体系中的比电容在150F/g以下，能 量密度小于3Wh/Kg。

超级电容器作为一种功率应用产品，大电流充放电能力是衡量其性能好坏 的关键因素。目前商品化超级电容器随着充放电电流密度提高，电容器的能量 密度大幅下降，比能量-比功率性能欠佳，限制了它的进一步推广。造成这种现 象的主要原因一是超级电容器采用常规活性炭作为电极材料，活性炭材料的孔 道窄且弯曲，限制了电解质离子在其内部的扩散迁移，导致大电流充放电时电 解质离子来不及在电极的大部分表面上形成双电层储存电荷，只有少部分较大 孔径孔隙的表面得到利用，从而造成电容器的能量密度下降。另一方面，活性 炭内部孔隙孔径越小，孔隙内电解液电阻越大，电容器的内阻越大，电容器储 存电荷时需要消耗能量克服内阻，导致电容器充放电效率和能量密度降低。

理论上，炭材料的比表面积越大，其形成双电层储存电荷的比电容越高， 但形成双电层对炭材料的孔隙孔径大小有一定的要求。同时，炭材料的孔径分 布是影响电容器内阻的因素之一，炭材料的孔径越大，其比表面积越小。炭材 料比表面积超过2500m²/g时，其孔隙主要呈难以形成双电层的微孔分布。因此， 要使炭基超级电容器在大电流密度充放电条件下具有优良的比能量-比功率性 能，必须优化炭材料的比表面积和孔径分布的关系。

如授权专利“一种介孔碳材料的制备方法”(专利号2006100223663.0)公 布了一种利用表面活性剂自组装的溶胶凝胶反应体系制备高比表面积介孔炭材 料技术，制备的炭材料比表面积达2400m²/g，平均孔径达8nm，水性电解液中的 比电容在120-200F/g之间，有机电解液中的比电容在90-130F/g。公开专利“大 倍率充放电性能超级电容器的多孔炭电极制备方法”(专利申请号 200810053475.1)公布了一种采用模板炭化法制备适用于大倍率充放电性能超 级电容器的多孔炭材料制备技术，这种炭材料制备的电极在水性电解液中，以 24A/g的电流密度工作时，比电容仍可达110F/g，功率密度达12KW/Kg。这种方 法的缺陷是在制备炭材料过程中需要去除无机模板，代价高昂。

可见，采用适当的方法对超级电容器电极炭材料的孔隙结构进行控制，可 达到改善其比能量-比功率性能的目的。

发明内容：

本发明旨在提供一种比能量-比功率性能优异的超级电容器电极炭材料制 备方法。采用该方法制备的炭材料适合应用于高功率密度工作的超级电容器。

本发明提供的方法的制备步骤如下：

控制间苯二酚等苯酚类化合物与总用水量的质量比为1:(5～20)。先将间苯 二酚等苯酚类化合物和甲醛按摩尔比1:2溶于少量蒸馏水，按与间苯二酚等苯酚 类化合物的摩尔比为1:(25～200)的比例添加催化剂。上述溶液在一定温度下 充分反应，并脱水干燥后可制得无孔酚醛干凝胶。按照与酚醛干凝胶理论产量的 质量比为(1～8):1的范围，称量聚乙二醇，并将其溶于剩余量的蒸馏水中。将 两种溶液混合，搅拌0.5～12小时后，注入水热反应釜中，50～70℃放置72小 时，再60～90℃放置96小时，得到暗红色透明胶体。胶体充分干燥，管式炉中 氮气保护，在700～1000℃温度下炭化1～4小时，得到所需产品。

本发明所用的合成炭前驱体聚合物的苯酚类单体包括间苯二酚、间甲酚、混 甲酚等。

本发明中用到的催化剂为碳酸钠、氢氧化钠、氢氧化钾等。

本发明中使用的聚乙二醇的分子量在400～20000之间。