[发明专利]一种用于超级电容器的碳纳米电极材料的纯化方法

说明书

技术领域

本发明属于材料纯化技术领域，特别涉及一种用于超级电容器的碳纳米电极材料的纯化方法。

背景技术

超级电容器是一种利用电化学的电容原理来储存电能的设备，具有功率密度高，使用寿命长等优点，可以用作不稳定电流的储存（如风能与潮汐能），以及大型交通工具（如轮船或飞机）的备用照明电源等。但与锂离子电池相比，超级电容器的能量密度比较低，其在交通工具与移动电子设备等方面的应用受到一定限制。

目前商业化的电极材料主要是活性碳。活性碳具有比表面积大，孔结构丰富，价廉易得等优点。但基于器件的能量密度仅有5 Wh/kg ~6 Wh/kg，不能满足实际应用的需要。因此，目前的发展趋势是制备性能更好的碳纳米管、石墨烯、纳米级的洋葱碳及纳米级的活性碳等材料来替代传统的微米级的活性碳。同时，选用性能更加好的有机电解液或离子液体，将目前活性碳适用的2.7 V~3 V电压升至4 V~6.5 V操作。然而，能够放大制备碳纳米管、石墨烯、纳米级的洋葱碳及纳米级的活性碳等材料的方法，大多为催化的方法，使得这些碳纳米管、石墨烯、纳米级的洋葱碳及纳米级的活性碳等材料的初始产品中含有无机氧化物载体、金属及其硫化物或碳化物、半导体元素及其碳化物及氮、磷或氧等官能团。这些杂质在超级电容器中不但会降低电极材料的装填量，还会在高电压下分解（如氮、磷或氧等官能团）或导致电解液分解。在杂质含量高时，其分解产生的气体容易导致电容器破裂，产生安全隐患。即使在杂质含量低时，其仍然会导致电解液慢慢分解，或导致操作电压下降。

虽然目前碳纳米材料的纯化方法已有报道，但当不同种碳纳米材料组合使用时，其杂质种类的复杂性远远超出了以往单一的处理方法，并且现有的方法并不针对用于超级电容器的碳纳米电极材料。超级电容器中所使用的碳纳米电极材料具有大的比表面积、低金属含量、高导电性、合适的孔径分布与适中的堆积密度。而现有方法经常会损失电极材料的比表面积、使材料团聚、孔径变小及堆积密度变大。同时，能够保证电极材料堆积密度，孔径或比表面积的方法，又不能彻底地去除金属杂质。上述状况均不利于碳纳米电极材料在超级电容器中的应用。

发明内容

本发明针对上述碳纳米材料的纯化方法的缺点进行了创新性的改进，提出了一种用于超级电容器的碳纳米电极材料的纯化方法。

本发明提供了一种用于超级电容器的碳纳米电极材料（碳纳米管、石墨烯、洋葱碳、纳米级的活性碳颗粒中的一种或多种）的纯化方法，该方法具体步骤如下：

（1）在浓度为0.1 mol/L至其饱和态的酸或碱液（醋酸、甲酸、氢氟酸、盐酸、硫酸、硝酸、硝硫混酸、王水、KOH或NaOH中的一种或多种）中，在20 ℃~130 ℃条件下，处理1小时~24小时，以除去大部分初始碳纳米电极材料中的杂质（含Si、Al、Mg、Zr或Ti 元素的无机氧化物中的一种或多种，上述无机氧化物杂质的初始含量占杂质总质量分数的0.5%~80%； Mo、Fe、Co、Ni、W、Cu、Mn、Cr、Au、Ag、Pd、Rh、Mg、Sn、Al或Pb金属或其碳化物或硫化物中的一种或多种，上述金属杂质或其碳化物或硫化物的初始含量占杂质总质量分数的0.05%~30%； Si或Ge元素或其碳化物中的一种或多种，上述半导体元素或其碳化物的初始含量占杂质总质量分数的0.005%~5%；含氧、含氮或含磷的官能团中的一种或多种，上述官能团的初始含量占杂质总质量分数的0%~20%。）。

（2）将经步骤（1）处理后的碳纳米电极材料用去离子水洗涤3~5次后，在-10 ℃~ -30 ℃，压力1000 Pa ~10^-2 Pa条件下，冷冻干燥1小时~72小时。

（3）将经步骤（2）处理后的碳纳米电极材料置于不含金属的容器中，在高温弱氧化性气体（氧气、CO₂或H₂O蒸汽中的一种或多种，其总体积分数为0.5%~100%，其余气体为N₂、Ar或He中的一种或多种）中，在750 ℃~1000 ℃下处理0.1小时~5小时，使部分被碳包覆的金属氧化物、金属或金属碳化物及半导体元素或其碳化物等杂质外露。

（4）在酸或碱中再次除去上述杂质，用去离子水洗涤后再次冷冻干燥。