[发明专利]电极材料及其制备方法和超级电容器

说明书

本发明属于电化学材料领域，具体涉及一种电极材料及其制备方法和超级电容器。所述电极材料包括碳基纳米材料和包覆在所述碳基纳米材料表面的含氮包覆层，所述碳基纳米材料表面结合有有机磷配体。该特有核壳结构的氮磷掺杂的电极材料作为超级电容器的电极材料，不仅可以提高电极材料比容量，而且具有稳定性好的特点，可显著提高超级电容器的电容性能。

技术领域

本发明属于电化学材料领域，具体涉及一种电极材料及其制备方法和超级电容器。

背景技术

超级电容器是一种介于电容器和电池之间的新型储能元件，具有能量密度高、充放电速度快、功率密度高、充放电效率高、循环寿命长、安全性好、使用温度宽以及无污染和免维护等优良特性。超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫双电层，因此电容量非常大。超级电容器与传统静电电容器的区别在于储存能量的多少，前者是后者的100倍以上；超级电容器与电池的区别在于功率密度的大小，前者是后者的10-100倍。但是超级电容器的缺点是比能量低，提高比能量的方法有：1.提高电极材料的比电容；2.提高正负极的电位差。杂元素掺杂是提高碳基电极材料比容量的简单有效的方法。其中，氮掺杂碳材料表现出优秀的电化学性能，获得了研究者的广泛关注，而磷掺杂碳材料表现出高比容量和宽电化学窗口。

一般用于超级电容器的材料为无定型碳材料，因为无定形碳的层间距较大，有利于提高电极的大电流充放电性能。无定形碳可以通过多种方法进行改性，以达到不同的效果。掺杂是一种常用的方法，通过掺杂氮或者硼元素，可以改变半导体材料的电子性质。掺杂后的石墨碳材料能带结构发生变化，电导率提高，因此掺杂后的石墨碳材料比原来石墨碳材料有更大的发展空间。

目前高电容器的电极材料成本较高，而且种类有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种电极材料及其制备方法和超级电容器，旨在解决现有高电容器的电极材料选择有限的技术问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明一方面提供一种电极材料，包括碳基纳米材料和包覆在所述碳基纳米材料表面的含氮包覆层，所述碳基纳米材料表面结合有有机磷配体。

本发明提供的电极材料，是一种同时具有磷掺杂和氮掺杂的、以碳基纳米材料为核的核壳结构材料。该电极材料中，碳基纳米材料作为内核，有机磷配体结合在碳基纳米材料表面，有机磷配体位于所述碳基纳米材料和所述含氮包覆层之间对电解液离子(特别是质子)具有更强的吸附能力，从而极大地增大了碳基纳米材料的双电层电容；而含氮包覆层作为掺杂的氮材料包覆在碳基纳米材料表面，不仅可以提高电极材料的电化学性能，还可以提高该电极材料的稳定性；因此，该特有核壳结构的氮磷掺杂的电极材料作为超级电容器的电极材料，不仅可以提高电极材料比容量，而且具有稳定性好的特点，可显著提高超级电容器的电容性能。

本发明另一方面提供一种电极材料的制备方法，包括如下步骤：

提供碳基纳米材料和有机磷配体；

将所述碳基纳米颗粒和有机磷配体溶于溶剂中，使所述有机磷配体结合在所述碳基纳米材料表面，得到混合溶液；将氮源加入所述混合溶液中，进行混合处理，使所述氮源在所述碳基纳米材料表面形成含氮包覆层，得到所述复合材料。