[发明专利]具有超高比电容的碳基电极材料及其复合电极材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高比电容的碳基电极材料及其复合电极材料，属于材料、电化学的技术领域。

背景技术

超级电容器具有功率密度高、循环寿命长和安全可靠等特点，可广泛应用于混合电动汽车、大功率输出设备等。目前全球范围内超级电容器已形成一个非常可观的市场规模，2010年产值达4.7亿美元，近年来保持近20％的增长率。尽管超级电容器产业前景突出，但是受限于能量密度过低(常规活性炭超级电容器质量比电容<200F/g，体积比电容<200F/mL，能量密度<10Wh/kg)，远低于锂电池(>100Wh/kg)，而导致无法大规模应用。活性炭电极能量密度低的原因在于，大量微孔结构不利于电荷的有效迁移，导致大量活性位点储能失效，同时高结构缺陷导致其在高电压下稳定性不佳，限制了能量密度的提升。另一重要原因是，多孔碳材料的碳原子多以sp³杂化为主，sp²杂化原子比例低，导电性差(典型的<100S/cm)。要获得具有高导电性的炭材料，必须提高碳原子的sp²杂化比例。尽管目前已有文献报道了具有高sp²杂化的碳材料，而这类材料的sp2杂化具有局域性，其局部导电性好，但整体的导电性仍然无法满足电容器电极的要求。高sp²杂化的石墨烯可以兼具高比表面积(2,620m²/g)、高导电性和高结构稳定性，能够克服活性炭电极材料的性能瓶颈。然而，目前碳电极的比容量仍远低于理论值(550F/g)，主要归结于实际的比表面积低于1000m²/g；此外石墨烯的堆积密度低，也会降低器件的体积能量密度。

为了获得更高的比电容，已有文献报道将掺杂元素，如氮、氧、硫、硼等，引入到多孔碳或石墨烯中，通过发生氧化还原反应来产生法拉第电容。然而，文献报道的这类材料有两个致命的问题：一是引入的掺杂元素会明显降低材料的导电性；二是掺杂元素所产生的法拉第电容比例很低(典型的低于10％)，这主要的原因是有大量的掺杂活性中心无法有效的利用。

此外，高sp²杂化的碳材料也可以作为具有高比表面积和高导电性的载体来负载其它具有高比容量的活性材料，从而进一步提高电极材料的比能量密度。法拉第电容器(如聚合物、过渡金属氧化物等)尽管可以通过充放电过程中的氧化还原反应获得较高的比电容，但是因其稳定性差(五千次循环后电容保持率小于50％)，功率密度较低(小于1千瓦每公斤)，限制了法拉第电容器的实际应用。而且，具有法拉第电容的电极材料在制作成超级电容器件之后，因正负两极的电压不同，无法同时达到氧化还原电位，不能完全表现出超级电极材料的储能特性。目前，基于金属化合物或导电聚合物表面氧化还原反应的电容器件，其比电容量损失了15％以上。

因此，如何提供一种碳基复合材料，综合了高比表面积碳材料、高导电碳材料和法拉第电容三者的优点，摒弃各自的缺点，从而获得具有超高比电容和能量密度的超级电容器材料，是本领域的研究热点之一。

发明内容

本发明旨在克服现有碳基复合材料的缺陷，本发明提供了一种超高比电容的碳基电极材料及其复合电极材料与制备方法。

本发明提供了一种具有超高比电容的碳基电极材料，其特征在于，所述碳基电极材料的电容由双电层电容和法拉第赝电容两部分组成，所述双电层电容占所述碳基电极材料的电容的20～60％，所述碳基电极材料在1A/g的电流密度下比容量为400以上，体积比容量在300法拉每毫升以上，水基电解液的对称型器件的能量密度在20瓦时每公斤以上，体积能量密度在15-瓦时每升以上。

本发明的基本思路是：在高导电和高比表面积的碳材料中通过元素掺杂引入活性位点，产生法拉第赝电容，掺杂元素为氮、硼、磷、硫中的一种或两种组合，掺杂元素的原子浓度为0.5％-20％。掺杂后，碳基材料的导电性能没有明显下降，而在水中的分散性明显提高，zeta电位小于-15mV；