[发明专利]碱式硝酸钴/有序中孔炭复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于超级电容器复合电极材料的制备方法。

技术背景

能源是国民经济发展的动力，也是衡量国家综合国力、国家文明发达程度和生活水平的重要指标。伴随人口的急剧增长和经济的迅速发展，能源日渐短缺，环境日益受到重视，进行能源的开发和合理利用直接关系到人类社会的可持续发展，也是各国研究的重点。电能作为一种重要的能源在现代化生产和生活中扮演着极为重要的角色。储能元件应用于生产生活的各个方面，对储能元件的性能要求也越来越高。传统电容器虽然可以提供非常大的功率，但其能量密度有限，不能满足实际需要。同时随着科技和社会的发展，许多场合(如电动汽车)对电源功率的要求越来越高，也远远超出了当今电池的承受能力。在此背景下一种新型的储能元件-“超级电容器”得到了快速发展。

超级电容器(Supercapacitor)，也叫电化学电容器(Electrochemicalacitor)，是一种能量密度和功率密度介于传统电容器和电池之间的新型储能元件。它具有比传统电容器更大的比电容、比蓄电池更大的功率密度、循环使用寿命长和使用温度范围宽等特点。超级电容器在20世纪六七十年代首先在美国出现，并在八十年代逐渐走向市场，由于在电动汽车上的潜在前景而引起关注，并随着电动汽车的发展而迅速发展，成为国内外研究的热点。自从1957(USP，2800616)Becker发表了一篇关于超级电容器的专利以来，超级电容器的发展不断推陈出新。如今，超级电容器己被广泛的应用于电路系统的记忆保护、便携式电子设备以及低污染的混合型汽车的动力装置中。它在混合电动汽车、移动电话、微机等众多领域内有广泛应用前景。

从1992年开始，美国能源部和美国先进电池协会就开始组织国家实验室、大学和工业界(Maxwell，GE等)推出电动汽车用超级电容器的可行性研究计划；2009年，美国“下一代”电池和电动车计划：国家能源部资助24亿美元，其中15亿美元用于资助美国的电池及其配件制造，以提高电池的循环容量。2000年，德国制定了《可再生能源法》规定新能源占德国全部能源消费量的50％，德国电动汽车计划在2020年，达到100万辆电动汽车并成为电动汽车市场的领导者。1996年，欧盟开始超级电容器的研究计划，目标是研制比能量6Wh/kg，8Wh/L，比功率1.5kW/kg，2kW/L，循环寿命超过10万次的超级电容器。

电极材料是超级电容器核心组成部分，其结构、性能对超级电容器的性能有决定性的作用。电极材料分为四类：炭材料、金属氧化物、高分子聚合物和复合材料。

炭材料(活性炭、碳纳米管、碳纳米线、碳凝胶、碳纤维等)是超级电容器常用的电极材料，根据双电层理论，炭电极表面的双电层电容约为20μFcm^-2，若比表面积为1000m²g^-1，则比电容为200F/g。

在各种炭材料中，中孔炭材料由于具有较大的孔径适宜作为超级电容器的电极材料。其中有序中孔炭材料由于其特殊的孔道有序性有利于电解液离子在其中的嵌入和脱出而受到广泛关注。以带有孔隙结构的材料为模板，首先将碳前躯体注入到模板的孔道内，炭化后移除模板，一种反复制模板结构的多孔固体物质就得以保存下来，中孔硅分子筛则能够对孔道结构和骨架同时进行控制，而且可以通过选择具有不同孔道结构的硅分子筛制备具有各种孔道结构的中孔炭材料。制备有序中孔炭的炭源有蔗糖，苯酚，甲醛树脂以及糠醇。

由于金属氧化物及氢氧化物所产生的法拉第电容远大于活性碳材料表面产生的双电层电容，因此法拉第准电容器正逐步取代双电层电容器成为研发的热点。如RuO₂由于具有很高的比电容而受到普遍关注。尽管RuO₂比容量高达760F/g，在容量和导电性方面性能优良，但价格昂贵。又因为它们一般具有强烈的毒性，对环境污染严重，为此人们致力于寻找性能良好、价格低廉并且对环境无污染的电极材料来替代贵金属材料。国内外的许多研究成果显示：过渡金属氧化物材料可以作为贵金属氧化物电极材料的替代品。如Conway曾经指出，一些过渡金属氧化物如MnO_x，NiO_x and CoO_x等也具有贵金属氧化物的电化学性能，都成为较有希望替代钌的电极材料而被研究。