[发明专利]一种含锡微/纳米结构掺杂碳材料及其制备方法

说明书

本发明属于超级电容器的电极材料领域，具体涉及一种含锡微/纳米结构掺杂碳材料及其制备方法。本发明采用不同类型的聚合物基碳前驱体、锡源以及极性溶剂配制前驱体溶液。随后通过纺丝法和流延成膜法两种不同的方法使前驱体溶液成型，得到纤维状和薄膜状两种类型的前驱体。最后，对两种类型的前驱体进行预氧化和高温碳化，即可得到不同形态的含锡微/纳米结构掺杂碳材料。本发明相比现有技术最大的特点在于：制备工艺高效、简单、可重复性高。制得的含锡微/纳米结构掺杂碳材料蓬松柔软，回弹率高，微观结构优异，电化学性能佳。

技术领域

本发明属于超级电容器的电极材料领域，具体涉及一种含锡微/纳米结构掺杂碳材料及其制备方法。

背景技术

随着经济的发展和科技的进步，自然资源包括矿产资源在内的资源面临枯竭，环境污染日益严重。因此，寻找一种高效清洁能源成为了世界各国的目标。锂离子电池作为一种高效的储能器件，具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低、环保等优点，被广泛应用于便携电子设备的电源和动力电池。和锂离子电池相比，超级电容器拥有功率密度大、快速充放电、可重复多次使用、环保等特点。而含锡物质包括金属锡单质、二氧化锡均具有较高的理论电容量，将其以物理或化学方法加入电极材料中可有效改善电极材料的电化学性能。其中，将含锡物质加入锂离子电池的电极材料中已经有较多研究，也取得一定成效。而对将含锡物质加入超级电容器的电极材料中关注较少。

电极材料对超级电容器的电化学性能的表现起着关键作用。为进一步改善其电化学性能，方法主要有两种：一是改善电极材料的结构，包括纳米线、纳米球、纳米片、多孔中空材料。较大的比表面积可有效地改善电极材料的电化学性能。二是加入碳前驱体，可以有效地缓解充放电过程中体积的变化。

相较于目前常采用的制备方法，如模板法、水热反应法、静电纺丝法等，我们的制备方法具有低成本、步骤简单、高效的特点。专利CN 103776869 A公开了一种在单晶硅衬底上依次溅射一层铬膜和金膜，加入一定质量比的活性炭和氧化锡粉末，煅烧得到氧化锡纳米线的方法。但需要增加衬底的制备方法使得制备的纳米线生长不均匀、具有生产效率低、反应条件苛刻等缺点。而专利CN 107331831 A和CN 106915765 A采用水热反应法制备二氧化锡纳米线。水热反应法具有可重复性差、生产效率低等缺点。为了有效增强可重复性且得到均匀的纳米线，专利CN 106906537 A公开了一种通过静电纺丝和马弗炉煅烧的方法制备锡/碳复合纳米纤维材料。静电纺丝具有操作简单、可重复性较高等优点。但是，其也具有纺丝电压过高、生产效率低等缺点。

发明内容

本发明拟解决的技术问题是：制备一种电化学性能优异的复合电极材料，并且提供一种简单高效的制备方法。该复合电极材料在制备过程中，使用的原料价格低廉、方便易得；且无需还原性气氛或是额外添加衬底，即可通过自催化、自组装的方式得到不同的纳米结构。这就有效地简化了实验步骤，节约了成本，可重复率高。

本发明的目的是这样来达到的，即通过结构设计优化电极性能，赋予电极纳米结构以增加比表面积。添加导电的含锡物质分散在碳前驱体中以增强导电性。而且，碳前驱体有助于缓解充放电过程中的结构变化。三者的协同作用极大地改善了电化学性能，包括比容量的增加、电荷转移电阻的减小及循环性能的改善。

本发明中含锡微/纳米结构掺杂碳材料的制备方法，包括以下步骤：

1.前驱体溶液的制备

称取一定质量的聚合物基碳前驱体加入到极性溶剂后，在室温条件下搅拌8-12h。待完全溶解后加入不同质量的锡源，继续搅拌8-12h，经过滤后备用。

2.前驱体成型

(1)纤维状前驱体的制备

前驱体溶液经湿法纺丝、干法纺丝、干喷湿纺、溶液气流纺丝或离心纺丝等方式，可制备得到纤维。

(2)薄膜状前驱体的制备