[发明专利]一种超级电容器用高比表面积介孔-微孔炭微球及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种超级电容器用高比表面积介孔-微孔炭微球及其制备方法。

背景技术

超级电容器是介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，由于其具有功率密度高、能量密度高、充放电速度快、循环寿命长、对环境无污染、使用温度范围宽和安全性能高等特点，近年来引起全世界的关注并成为新能源领域的研究热点之一。而电极材料又是决定超级电容器性能的关键因素之一，因此高性能电极材料的合成和优化是超级电容器研究的重点。而介孔-微孔多孔炭材料作为一种当今超级电容器电极材料广泛使用的的炭材料，不仅具有较大的比表面积，而且还具有介孔和微孔梯级分布的双重优势，既有利于电解液荷电离子快速有效进入，增强离子电导率，较丰富的微孔又使炭材料具有高比表面积，形成双电层电容，进而增大材料的储能能力。

目前现有微孔炭材料多采用强酸、强碱进行活化，然而强酸强碱对设备会产生较大的腐蚀，从而影响设备的使用寿命，导致生产成本增加，同时也使得危险系数上升。

中国专利CN103159886A公开了一种超高比表面积单分散聚合物微球的制备方法，采用无皂细乳液聚合制备轻度交联的单分散预聚体微球，然后利用预聚体中的氯亚甲基进行傅克反应进一步交联，获得单分散聚苯乙烯微球，比表面积最高可达1255m²/g，孔体积可达0.78cm³/g，但比表面积和孔体积仍较低，无氮、磷掺杂，不利于其电容性能的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超级电容器用高比表面积介孔-微孔炭微球及其制备方法，该方法以廉价易得的聚苯乙烯、SBA-15以及水溶性聚磷酸铵为主要原料，无需活化即可制得高比表面积介孔-微孔炭微球材料，该材料与电解液的浸润性及比电容及能量密度均较好。

为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

一种超级电容器用高比表面积介孔-微孔炭微球的制备方法，包括以下步骤：

(1)将PVPK-30和SBA-15溶于乙醇中，得到溶液A；将聚磷酸铵溶于水中，得到溶液B；将溶液A和溶液B加入到反应器中，然后将苯乙烯和AIBN混合均匀后，滴入到反应器中，搅拌下继续反应10～15h后，结束反应自然冷却至室温，得到乳液；将乳液进行分离、干燥，得到白色粉末状产品，即为聚苯乙烯微球；

其中，PVPK-30、SBA-15、聚磷酸铵、苯乙烯、AIBN的比为(1～3)g：(1～5)g：(1～5)g：(18～20)g：(0.1～0.5)g；

(2)将聚苯乙烯微球和无水氯化铝混合均匀后加入到反应容器中，然后加入正庚烷，搅拌下混匀后，再滴加四氯化碳，滴毕后于55～65℃下交联反应12～16h后老化，得到交联聚苯乙烯微球；

其中，聚苯乙烯微球：无水三氯化铝：四氯化碳：正庚烷的用量比为(5～10)g：(2～5)g：(50～100)mL：(50～100)mL；

(3)将交联聚苯乙烯微球在惰性气体保护下碳化，得到聚苯乙烯基炭材料；

(4)将聚苯乙烯基炭材料加入到氢氟酸中，搅拌以使刻蚀完全，然后过滤、水洗、干燥得到聚苯乙烯基介孔-微孔炭微球。

所述步骤(1)中溶液A通过以下方法制得：按PVPK-30：SBA-15：乙醇为(1～3)g：(1～5)g：90mL，将PVPK-30和SBA-15加入到60～80℃的乙醇中，搅拌均匀得到溶液A。

所述步骤(1)中溶液B通过以下方法制得：按聚磷酸铵：水为(1～5)g：10mL，将聚磷酸铵加入到水中，搅拌均匀得到溶液B。

所述步骤(2)具体过程为：将正庚烷分为第一份和第二份，第一份和第二份的体积比为75：18；将四氯化碳分为第一份和第二份，第一份和第二份的体积比为18：75；第一份四氯化碳和第二份正庚烷的混合物中四氯化碳和正庚烷的体积比为1：1；将聚苯乙烯微球和无水氯化铝混合均匀后加入反应容器中，然后加入第一份正庚烷，开动磁力搅拌器，通过搅拌12h使其充分混合，搅拌下再滴加第一份四氯化碳和第二份正庚烷的混合物，滴毕后再滴加第二份四氯化碳，其中，滴加第一份四氯化碳和第二份正庚烷的混合物、以及滴加第二份四氯化碳的时间共10h，然后于55～65℃下反应12～16h后老化，得到交联聚苯乙烯。

所述步骤(2)中老化是在100℃下加热24h。

所述步骤(3)中炭化具体条件为：以升温速率为2℃/min升至400℃恒温4h，再以5℃/min升温至900℃恒温2h。

所述氢氟酸的质量浓度为5％。