[发明专利]高体积比容量煤基超级电容器电极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及超级电容器电极材料技术领域，是一种高体积比容量煤基超级电容器电极材料及其制备方法，该高体积比容量煤基超级电容器电极材料，按照下述步骤得到：将煤炭粉碎得到煤粉，将煤粉与氧化剂进氧化处理，得到氧化煤；将氧化煤与氢氧化钾混合，得到混合物；将得到的混合物压实，对压实混合物进行炭化处理，得到炭化样品；炭化样品经洗涤、烘干，得到该电容器电极材料。本发明使用来源广泛的煤炭作为原料，通过简单、通用的压实活化法，制备了具有高表观密度、高比表面积和高体积比容量的多孔炭材料，本发明具有优异的快速充放电性能，解决了超级电容器电极材料体积比容量不高的问题，为煤的清洁、高效利用提供了思路。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料技术领域，是一种高体积比容量煤基超级电容器电极材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器由于具有能量密度高、循环性能优异、价格低廉以及环境友好等优点而受到研究者的青睐。电极材料是超级电容器的核心，高性能电极材料的研发是相关领域的研究重点。目前，应用最多的超级电容器的电极材料当属多孔炭材料。通常方法制备的炭材料具有大比表面积和高质量比容量，但其表观密度较小，导致体积比容量不高。而消费类电子产品及电动汽车要求储能器件尽可能在一个相对有限的空间释放能量，因此制备兼顾高质量比容量和高体积比容量的电容材料显得尤为重要。材料体积比容量计算公式为C_v=C_m×ρ，其中C_m为材料的质量比容量，ρ为材料表观密度。可见，提高电极材料的表观密度ρ、降低材料孔隙率是提高其比容量行之有效的手段。然而降低孔隙率会导致材料比表面积和孔隙率下降、储能活性位点和离子迁移通道减少。这不仅使材料的C_m大幅度下降，导致其体积比容量仍然不高，而且还会牺牲材料的快速充放电能力。由此可见，提高电极材料的体积比容量需要从材料的综合物性着手，平衡孔隙率与表观密度之间的矛盾关系，合理设计材料的微观形貌和孔结构分布，制备既具有高质量比容量C_m，又具有高表观密度ρ的电极材料。这仍然是该领域的研究热点和挑战。

发明内容

本发明提供了一种高体积比容量煤基超级电容器电极材料及其制备方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有超级电容器电极材料体积比容量不高的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种高体积比容量煤基超级电容器电极材料，按照以下步骤得到：第一步，将煤炭粉碎，筛分处理后，得到煤粉，将煤粉与氧化剂进行氧化反应，得到氧化煤；第二步，将所需量的氧化煤与氢氧化钾按1:0至4的质量比例混合均匀，得到混合物；第三步，将得到的混合物压实，以氮气作为保护气，对压实混合物进行炭化处理，以5℃/min的速度程序升温，由室温升到500℃至1200℃，得到炭化样品；第四步，炭化样品经去离子水洗涤，至洗涤液为中性时，将洗涤后的炭化样品烘干，得到高体积比容量煤基超级电容器电极材料。

下面是对上述发明技术方案之一的进一步优化或/和改进：

上述氧化剂为浓硫酸和浓硝酸的混合溶液，其中，混合溶液中，浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1。

上述将得到的混合物压实时，压力为0.1MPa至40MPa。

上述筛分处理时使用200目的筛分仪器。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种高体积比容量煤基超级电容器电极材料的制备方法，按照下述步骤进行：第一步，将煤炭粉碎，筛分处理后，得到煤粉，将煤粉与氧化剂进行氧化反应，得到氧化煤；第二步，将所需量的氧化煤与氢氧化钾按1:0至4的质量比例混合均匀，得到混合物；第三步，将得到的混合物压实，以氮气作为保护气，对压实混合物进行炭化处理，以5℃/min的速度程序升温，由室温升到500℃至1200℃，得到炭化样品；第四步，炭化样品经去离子水洗涤，至洗涤液为中性时，将洗涤后的炭化样品烘干，得到高体积比容量煤基超级电容器电极材料。

下面是对上述发明技术方案之二的进一步优化或/和改进：