[发明专利]一种超级电容器用三维多孔碳片的制备

说明书

本发明涉及一种超级电容器用三维多孔碳片的制备，以富含芳烃且有一定粘性的石油沥青为碳源，以柠檬酸钾为活化剂和模板剂，制备超级电容器用三维纳米片。柠檬酸钾中丰富的含氧官能团和石油沥青中的羟基等官能团结合，热解生成的气体以鼓泡的形式溢出，形成碳纳米片。柠檬酸钾是温和的活化剂进一步丰富纳米片的孔隙结构。本发明的有益效果是：本发明采用柠檬酸钾当作一种温和且环保的活化剂和模板剂，通过一步热解法制备出三维互相交联的碳纳米片材料，将该材料用于超级电容器的电极材料时表现出良好的电容特性和循环稳定性，是一种应用前景广阔的超级电容器电极材料。

技术领域

本发明涉及纳米碳材料的制备，特别涉及制备一种沥青基三维多孔碳片材料及将其用于进行超级电容器测试。

背景技术

随着人们生活节奏的加快以及对于能源的依赖，传统的化石能源无法满足人们对于清洁能源的要求，寻求可替代能源成为一个亟待解决的问题。超级电容器作为一种新型的储能器件因其功率密度高、充放电速率快、循环稳定性好等特点吸引了广泛关注。超级电容器按照储能原理的不同可以分为两类：以过渡金属氧化物或导电聚合物为代表的赝电容材料。但是氧化反应过程涉及多质子/电子的转移，因此循环稳定性和功率密度低；另外一种是以碳基材料为代表的双电层电容。双电层电容器储能原理是靠表面层的物理吸脱附，因此具有较高的功率密度和循环稳定性。综合考虑，碳基电容器材料具有较好的市场应用前景。超级电容器主要由电极材料和电解液构成，解决当今超级电容器能量密度低的方法主要有两个：首先是制备与电解液匹配的电极材料，其次是寻找高电压的电解液。电解液主要有酸性(H₂SO₄)、碱性(KOH)、中性(Na₂SO₄)以及离子液体(BMMIPF₄)等，离子液体因为具有较高的电压窗口，从而提供很高的能量密度，因此受到了广泛关注。但是离子液体价格昂贵、制备流程复杂等特点限制了其广泛使用。超级电容器电极材料的设计是电容性能高低的关键。传统的制备碳基电容材料的特点是使用碱活化，其中，氢氧化钾作为活化剂被研究者们广泛使用，但是强碱的使用对于设备要求很高，使得工业化的成本提高；同时低的碳产率也是限制工业化的另一重要因素。因此，研究人员对具有高循环稳定性、高比容、低污染的超级电容器碳基电极材料进行了大量的研究。

近年来，对于碳基超级电容器的研究越来越透彻，其中包括零维富勒烯、一维碳纳米管和二维石墨烯，但是随着人们对于电容器储能机理的逐渐了解，人们发现富勒烯的结构因为较长的离子传输距离，因此功率密度相对低；一维碳纳米管具有良好的导电性，但是内壁的结构无法完全暴露，因此无法实现其高效利用；二维石墨烯虽然具有较高的理论容量，但是因为片层容易团聚等问题使得无法实现其理论容量，同时制备流程复杂、危险等也导致其无法实现商业化应用。因此研究者们开始关注三维多孔碳材料，相比于传统的碳材料，三维多孔发达的孔隙结构使得离子传输距离短；同时三维结构更加有利于暴露活性位点。

温和的盐活化法制备用于超级电容器、锂离子电池的研究方兴未艾。其中包括：金属氯化物共熔盐(NaCl/KCl、KCl/CaCl₂、ZnCl₂/KCl)、强碱弱酸盐(KHCO₃、K₂CO₃)、强酸弱碱盐(NH₄Cl)、有机盐(柠檬酸盐)等等。与传统的碱活化相比，这种盐活化获得的材料具有产率高、设备成本低等优点。，同时盐模板剂具有来源广泛、环境友好、成本低廉、容易重复利用等优势。其中，使用金属氯化物共熔盐模板剂制备碳基材料的盐碳比例较高，一般在20:1以上，因此工业化运输和回收成本较高；强酸弱碱盐产生的气体的气体量较大，而且一般产生的气体有毒，因此也较难实现工业化。以柠檬酸钾为代表的有机盐具有较多的含氧官能团，而且有机物在低温下很容易分解，产生的气体可以通过鼓泡的形式制备中空结构的材料，有机物也是一个很好的碳源。