[发明专利]超级电容用复合材料、超级电容和它们的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法、用该方法制备出的复合材料、以及包含该复合材料的超级电容和其制备方法。

背景技术

近些年，大部分便携装置都使用锂电池作为电源。锂电池能够提供较高的电压和稳定的电流给便携装置供电。但是，锂电池的容量不够高。所以，不得不频繁地给电池充电，而且充电过程一般要耗时几个小时。例如，一些移动超声波设备需要充电大约2.5小时，但是其电池仅仅能够提供1小时电力。便携装置的另一个技术问题是现在使用的电池不仅容量低，而且体积较大，会占据一定的空间。除此之外，锂电池的循环寿命也需要提高：目前锂电池仅仅能够在千次充放电循环中呈现良好性能。所以，需要一种高效电源来达到高容量、快充电和长循环寿命的理想组合。

目前，市售的超级电容能够提供快速充电的特性，但是其容量仅仅能够达到相似体积锂电池容量的5-10％。所以，超级电容的容量需要得到极大提高才能满足要求。现在的商业化的超级电容使用微米级碳粉末作为电极材料，其比表面积较低，通常其有效表面积约为100-1000m²/g，其比容量约为30-100F/g。电极材料是超级电容最重要的成分之一，也是影响超级电容容量的关键因素。综上所述，目前迫切需要开发出高表面积材料或复合材料来制备具有高容量的高效电源。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种复合材料的制备方法，该方法利用了高比表面积的多孔无机化合物，并通过原位聚合的方法得到更均匀复合的材料，利用该制备方法得到的复合材料制备的超级电容具有电容量高、重量轻、循环寿命更长的特点。本发明还提供了该制备方法制备的材料和用该材料制备的超级电容。

本发明的一个实施方式提供了一种复合材料的制备方法，包括如下步骤：

提供多孔无机化合物，其中所述多孔无机化合物的比表面积在1000-3000m²/g范围内；

将所述多孔无机化合物与导电聚合物的单体溶液混合，使所述单体溶液填充到所述多孔无机化合物的孔中；

使所述导电聚合物的单体原位聚合。

其中，所述多孔无机化合物包括碳化物、氮化物和硼化物中的至少一种。所述导电聚合物包括聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯及其衍生物中的至少一种。所述导电聚合物与所述多孔无机化合物的质量比在10∶90-99∶1范围内，优选在20∶80-95∶5范围内，更优选在40∶60-95∶5范围内。

优选的，所述多孔无机化合物为碳化物，碳化物包括碳纳米管、碳纤维和有序介孔碳化物中的至少一种，更优选碳纤维和有序介孔碳化物。

所述碳纤维包括碳纤维无纺布和碳纤维织物。碳纤维织物和碳纤维无纺布本身能够形成连续的网络，可以不需模制的过程直接用作超级电容电极。

所述多孔无机化合物可以通过酸活化制得，活化方法包括：将用来制备所述多孔无机化合物的无机化合物加入到酸催化剂水溶液中，加热回流，或直接在高温炉中氧化活化。在该活化过程中使该无机化合物形成多孔结构。

优选的，上述有序介孔碳化物可通过如下方法制备：

将非离子表面活性剂溶解于酸催化剂溶液中，优选使用酸催化剂的水溶液；

将硅源分散于所述非离子表面活性剂的酸催化剂水溶液中；

陈化、并分离得到的沉淀物；

将沉淀物在氮气气氛中高温碳化；

用氢氟酸去除碳化产物中的二氧化硅成分。

该有序介孔碳化物具有高孔隙率、比表面积大、孔径分布集中和导电性好的特性。

上述制备方法中所述的非离子表面活性剂为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷、聚环氧乙烷-聚环氧丁烷、烷烃-聚环氧乙烷型二嵌段或三嵌段共聚物表面活性剂。所述酸催化剂选自C₁-C₃的有机酸、苯甲酸或无机酸中的至少一种。例如，酸催化剂可以选自甲酸、乙酸、草酸、丙酸、苯甲酸、硫酸、盐酸、硝酸、磷酸中的一种或多种。所述硅源可为烷氧基硅烷，优选四乙基硅酸酯(TEOS)。

在另一个实施方式中，本发明还提供了用上述方法制备的复合材料。该复合材料由于是由导电聚合物的单体在与多孔无机化合物均匀混合后原位聚合制备，所以可达到二者更均匀地复合以及更加充分地接触的目的，从而提高复合材料的比容量。