[发明专利]一种含碳微米管的超级电容器复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超级电容器的电极材料，具体涉及一种含碳微米管的超级电容器复合电极材料及其制备方法。

背景技术

近年来，介孔碳材料因其规整的孔道结构和较大的孔容量以及良好的导电性能被广泛用于超级电容器和电池的电极材料。超级电容器作为一种新型储能原件，主要是利用存储在电极/电解液界面的双电层的能量，能否在两相界面快速均匀的形成双电层是衡量电容器优劣的重要因素。对于孔道排列规则有序的介孔碳，电解质离子可以在孔隙中做自由的迁移运动，能够快速的形成双电层，减弱电容分散效应，具有较强的充、放电能力，显示出了比较优异的电化学电容性能。同时，导电聚合物作为电极材料时，可在充放电过程中发生高度可逆的氧化还原反应，在聚合物膜中快速形成 p 型掺杂态或 n 型掺杂态，以及与它们相应的去掺杂态之间的快速变换，致使聚合物不仅在界面处而且在整个体积内存在高密度的电荷，因而产生很大的赝电容。将多孔碳与导电聚合物复合制备电极材料，在双电层电容中引入法拉第赝电容，即同时利用双电层电容和赝电容来提高电极材料的综合性能已经成为目前超级电容器材料研究与开发的一个新趋势。

张晶在其博士学位论文《基于介孔碳载体的高容量超级电容器复合电极材料的制备及性能研究》中，利用吡咯和介孔碳制备了一种复合电极材料，但是其介孔碳的活化性能欠佳、其与导电聚合物的融合程度还有待提高。

发明内容

基于以上思考，本发明旨在提供一种介孔碳活化性能好，同时与导电聚合物的相容性好的超级电容器复合电极材料，及其制备方法。

本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案实现：

一种含碳微米管的超级电容器复合电极材料，其特征在于，是有以下重量份的原料制成：

杨絮10-20，P123 5-10，盐酸80-150；正硅酸乙酯20-30，糖糠5-10，硫酸2-3， HF适量，ZnCl₂溶液10-15，乙醇20-40，硅烷偶联剂KH560 2-5，吡咯 3-8，对甲苯磺酸15-20，过硫酸铵溶液15-20，水80-300；

所述盐酸溶液浓度为1-3mol/L，硫酸溶液浓度为5-8mol/L，HF溶液质量分数为3%-8%，ZnCl₂溶液浓度为2-5 mol/L，过硫酸铵溶液浓度为3-6 mol/L。

所述的一种含碳微米管的超级电容器复合电极材料的制备方法，其特征在于，是由以下步骤制成：

a. 将杨絮除杂烘干后置于石英管中，再放入管式炉中央，在氩气的氛围下，于300-500℃下反应40-60 min，冷却到室温，得到黑色碳微米管；

b. 取P123溶于盐酸中，搅拌1-3h，待完全溶解后，在30-50℃下，缓慢加入正硅酸乙酯，搅拌10-30min后静置 40-50h，然后将乳液转移到有聚乙烯衬底的水热反应釜中，在 80-120℃下晶化45-55h；过滤、洗涤、干燥，得白色粉末；将该粉末置于马弗炉中于500-600℃煅烧5-8h，除去模板，得到分子筛；

c. 将步骤b所得分子筛加入到20-30份水中，再加入4-8份糖糠、1-2份硫酸溶解，然后于80-120℃下处理5-8h，加温至150-180℃处理5-8h；之后再加入剩余糖糠、硫酸和10-15份水，重复上述处理后，在真空300-400℃下碳化10-15h得到碳-二氧化硅复合材料，用HF溶液洗去模板，过滤、乙醇冲洗、干燥后得到无模板碳产物；

d. 将步骤a所得碳微米管、步骤b所得碳产物浸渍于ZnCl₂溶液中，在80-120℃烘箱中放置8-15h，之后转移到管式炉中，氩气气氛、600-800℃下活化1-2h，结束后冷却至室温；将所得产物分散在乙醇中，加入硅烷偶联剂KH560、吡咯、对甲苯磺酸，在真空中搅拌40-70min后，逐滴加入过硫酸铵溶液，冰浴搅拌8-15h；过滤、洗涤、干燥后得到复合电极材料。

本发明的有益效果是：本发明将多孔碳与导电聚合物复合制备电极材料，在双电层电容中引入法拉第赝电容，即同时利用双电层电容和赝电容来提高电极材料的综合性能；将糖糠作为碳源，在酸的催化下使糖糠碳化，沉积在介孔材料的孔道内，然后用HF溶掉介孔材料，得到了孔径均匀、高度有序、电学性良好的介孔碳；用ZnCl₂对介孔碳进行活化后，介孔碳的孔尺寸增大，介孔增多，配合硅烷偶联剂的作用，有利于导电聚合物在介孔碳上的附着，从而使复合材料表现出更好的电化学性能；碳微米管较大的管径适于离子的传输，有利于电化学能量存贮。