[发明专利]一种碳气凝胶‑导电聚合物超级电容器电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学领域，涉及一种新型超级电容器电极的制备方法，尤其涉及一种碳气凝胶-导电聚合物复合材料超级电容器电极的制备方法。

背景技术

现代科技社会的发展要求大规模使用和储存能量，进而有效提高能源利用率。超级电容器是一种介于传统电容器和二次电池之间的新型储能元件，具有循环寿命长，功率密度高，成本低廉等优点，备受人们青睐。

碳气凝胶是纳米级轻质多孔碳材料，不仅导电性好，而且兼具比表面积大、孔隙率高、循环稳定性能好等优点，被广泛应用于超级电容器电极材料的制备中。另外，高分子导电聚合物因其制备方法简单、化学稳定性好、法拉第赝电容较高，也经常被用来构筑超级电容器的电极材料。

碳气凝胶单独作为电极材料时其双电层电容较差，这将严重阻碍其在超级电容器中的应用。导电聚合物构筑的超级电容器在循环过程中电极材料会溶解到电解液中，使得循环稳定性降低，比电容较小。目前，解决上述问题的有效方法就是将碳气凝胶和导电聚合物进行复合，但现有技术中制备得到的碳气凝胶-导电聚合物超级电容器电极中，导电聚合物的负载率低，且制备工艺复杂，难以进行大规模生产。充分利用碳气凝胶的双电层电容和导电聚合物的赝电容，可得到比电容更大，循环寿命更长的超级电容器，更符合工业化生产的需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种碳气凝胶-导电聚合物超级电容器电极的制备方法，所述方法制备得到的电极充分利用碳气凝胶的双电层电容和导电聚合物的赝电容，可得到比电容更大，循环寿命更长的超级电容器，更符合工业化生产的需求。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种碳气凝胶-导电聚合物超级电容器电极的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将间苯二酚以及甲醛溶于溶剂中，加入催化剂，所述催化剂与间苯二酚的摩尔比为(10～25):1，反应得到水凝胶；

(2)将步骤(1)得到的凝胶置于酸溶液中，加热老化，使用交换剂进行溶剂交换，干燥得到干凝胶；

(3)在惰性气体保护下对步骤(2)得到的干凝胶进行碳化，得到碳气凝胶；

(4)将步骤(3)得到的碳气凝胶与炭黑、聚偏氟乙烯以及溶剂混合成浆料，将得到的浆料涂覆在铝箔上，得到碳气凝胶电极；

(5)将步骤(4)得到的碳气凝胶电极置于导电聚合物单体和盐酸的混合溶液中，在0.6～0.8V的电压下采用电化学聚合法，得到碳气凝胶-导电聚合物超级电容器电极。

其中，步骤(1)所述催化剂与间苯二酚的摩尔比可以是10:1、12:1、15:1、18:1、20:1、22:1或25:1等；步骤(5)所述电压可以是0.6V、0.62V、0.65V、0.68V、0.7V、0.72V、0.75V、0.78V或0.8V等，但并不仅限于所列举的数值，上述各数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明采用电化学聚合法，使导电聚合物单体在碳气凝胶电极表面发生原位聚合，由于聚合物单体的分子量小，分子体积小，更容易被吸附到碳气凝胶中，进而发生聚合反应，使得导电聚合物的负载率更高，从而充分利用了碳气凝胶的双电层电容和导电聚合物赝电容，提高了超级电容器的比容量，以及循环性能。

当催化剂与间苯二酚的摩尔比小于10:1时，酚醛树脂的聚合程度低，凝胶纤维较细，而凝胶内部孔径较小，导致导电聚合物的分子量较小，赝电容降低，电极的性能下降，而当催化剂与间苯二酚的摩尔比大于25:1时，酚醛树脂的聚合程度过高，导致凝胶纤维半径过大，凝胶内部孔径较大，对导电聚合物单体的吸附性能差，负载程度降低。

当电化学聚合的电压小于0.6V时，会降低导电聚合物的聚合度，而当电化学聚合的电压大于0.8V时会使导电聚合物的聚合过快，导电聚合物单体还未充分吸附进入碳气凝胶中就提前聚合了，降低了导电聚合物的负载率，因此不仅要合理调节催化剂与间苯二酚的摩尔比，同时要控制好电化学聚合时的电压，二者协同作用，才能得到性能优异的碳气凝胶-导电聚合物电极。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述甲醛和间苯二酚的摩尔比为(3～5):1，如3:1、3.5:1、4:1、4.5:1或5:1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，步骤(1)所述溶剂包括水和/或乙醇。

优选地，步骤(1)所述间苯二酚和溶剂的摩尔体积比为1:(1～10)，如1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9或1:10等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。