[发明专利]超级电容器用含氮碳材料及其制备方法、超级电容器电极材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种超级电容器用含氮碳材料及其制备方法、超级电容器电极材料，属于超级电容器技术领域。

背景技术

超级电容器又名电化学电容器，具有功率密度高、充放电速度快、使用寿命长、安全性能好、污染小等优点，已成为全世界倍受关注的新型储能器件。超级电容器可广泛应用于备用电源、便携式移动电源、混合动力汽车电源等领域，具有良好的应用前景。超级电容器由正负电极片(电极材料)、电解液、隔膜、集电极和封装材料组成。超级电容器的性能主要取决于正负电极片上的电极材料。根据储存和转化电能机理的不同，超级电容器主要分为赝电容超级电容器和双电层超级电容器。赝电容超级电容器是通过电化学活性物质在电极表面和电解液之间发生法拉第氧化还原反应来进行能量的存储和转化，所用电极材料主要以比电容较大的金属氧化物和导电聚合物为主，因而赝电容超级电容器具有较高的能量密度，但电极材料导电性较差，造成超级电容器的倍率性能和循环稳定性较差。双电层超级电容器通过在电极上富集离子来储存电荷，电极主要采用比表面积大的活性炭、碳纳米管、碳气凝胶、石墨烯等碳材料，超级电容器的倍率性能和循环性能较好。但是，双电层超级电容器采用的电极活性材料一般其比电容值相对较低，且导电性较差，导致超级电容器的能量密度偏低，限制了其发展。

已有研究表明，将氮掺杂到碳材料中，可大幅提高其电容性能，主要体现在以下三个方面：一是含氮官能团的存在可引入赝电容反应，提高碳材料的比电容；二是含氮官能团可增加碳电极材料的表面极性，改善材料对电解液的浸润性，降低电解液离子扩散阻力，提高比表面积利用率，进而提高材料的比电容；三是碳骨架中的氮原子可提供孤对电子，增强碳基体的导电性，提高超级电容器的倍率性能。因此，将含氮多孔碳材料作为超级电容器电极材料能够发挥更优异的电容性能。

公开号为CN101800131A的中国发明专利(公开日为2010年8月11日)公开了一种活性碳基材料及其制备方法，采用在惰性气体保护下，将掺杂或不掺杂的聚苯胺聚合物在500-1200℃碳化1-24h，然后进行高温活化或者溶液活化处理，所述高温活化为将碳化后的材料与活化剂在100-1000℃下保温0-20h，所述溶液活化为将碳化后的材料在硫酸、硝酸、盐酸、高锰酸钾、过氧化氢等的溶液中浸泡0.5-96h。但是，该方法制得的碳材料的比表面积仍然较小，限制了其比电容的进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种比表面积大、比电容高的超级电容器用含氮碳材料。本发明的目的还在于提供上述超级电容器用含氮碳材料的制备方法以及含有该超级电容器用含氮碳材料的电极材料。

为了实现以上目的，本发明的超级电容器用含氮碳材料的制备方法的技术方案如下：

一种超级电容器用含氮碳材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将含氮聚合物在惰性气体保护下，500～900℃保温2～6h，得到碳化产物；

所述含氮聚合物为聚吡咯、脲醛树脂、密胺树脂中的任意一种；

2)将步骤1)得到的碳化产物与活化剂混合，在惰性气体保护下，700～900℃保温1～2h，冷却，得活化产物；所述碳化产物与活化剂的质量比为1:2～1:6；所述活化剂为KOH、K₂CO₃、NaOH、Na₂CO₃、ZnCl₂中的一种或几种；

3)将步骤2)得到的活化产物加入水中得混合液，滴加酸来调节混合液的pH至中性，搅拌2-12h，过滤，水洗，过滤，真空干燥，即得。

本发明采用聚吡咯、脲醛树脂或密胺树脂作为含氮聚合物，经过碳化、活化后制得含氮碳材料，该含氮碳材料具有较高的含氮量，在作为超级电容器的电极材料时，能够在最大程度上使电极发生赝电容氧化还原反应，提高材料的比容量。而且，本发明的制备方法通过先进行高温活化后进行溶液活化的活化过程，增大了含氮碳材料的比表面积，使材料具有丰富的多孔结构，进一步提高了材料的比电容。

为避免升温过快对原料结构的影响，所述步骤1)中升温的速度为5℃/min。所述步骤2)中升温的速度为5℃/min。

所述真空干燥为60～120℃下真空干燥12～24h。

所述酸为0.1mol/L的盐酸。所述惰性气体为氮气或者氩气。

为了进一步提高含氮碳材料的比表面积，所述碳化温度为600-700℃。