[发明专利]一种超级电容器用多孔碳电极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种超级电容器用多孔碳电极材料，其具有多级孔结构，包括大孔、介孔及微孔，且大孔由石蜡细乳液为模板形成，介孔和微孔由表面活性剂为模板形成；并且提供了上述多孔碳电极材料的制备方法，包括将多糖、表面活性剂、石蜡和水混合得到稳定的细乳液，之后将细乳液经凝胶化和冷冻干燥制成干凝胶，得到的干凝胶经过碳化、酸洗、水洗及干燥即得到多孔碳电极材料。本发明提供的多孔碳电极材料的制备方法，使用的模板在高温碳化时可直接热分解除去，无需后处理除模板剂的过程，制备过程简便；且制备的多孔碳电极材料比表面积大，具有良好的比电容和优异的倍率性能。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料技术领域，具体涉及一种超级电容器用多孔碳电极材料及其制备方法。

背景技术

能源危机和环境污染是当前困扰世界的两大难题，开发利用资源丰富、可再生、清洁的新能源是解决这两大难题的有效措施，引起了世界各国的重视。然而，太阳能、风能等新能源具有间歇式供应，波动性大的特点，对持续供能不利。因此，高效的能源储存与转化装置是新能源利用的关键。超级电容器具有功率密度高、充放电迅速、循环寿命长、安全性高等特点，是最有潜力的储能器件之一。电极材料是决定超级电容器性能的关键，研究性能优异的电极材料对于超级电容器的发展具有重要意义。

碳材料具有比表面积高、导电性好、化学性质稳定、成本低廉以及来源丰富等优点，被广泛应用于超级电容器的电极材料。碳基超级电容器电极材料的研究主要集中在制备具有高比表面积、低内阻、表面官能团可调的多孔碳材料上。普通的多孔碳材料(如活性炭)存在孔内离子传输困难，离子传输距离较长等不足，导致倍率性能较差，同时较低的表面利用率严重限制了其比电容。具有三维连通的大孔-介孔-微孔多级孔结构的多孔碳材料在作为超级电容器电极方面具有突出的优势，其中三维连通的大孔网络和介孔提供了快速的离子传输通道，微孔赋予材料大的比表面积从而可以容纳大量的电荷，使其具有优异的电容性能。多孔结构的形成主要分为模板法和活化法，通常大孔结构由模板法形成，介孔和微孔结构可通过模板法和活化法形成。常用的大孔模板包括SiO₂、金属氧化物、聚合物微球等，这些模板需要单独制备，在碳化后往往还需要通过后处理去除模板，使得制备过程复杂。因此，亟需设计一种新的技术方案，以综合解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种超级电容器用多孔碳电极材料的制备方法，能有效解决现有技术中存在的模板需要单独制备和去除以及制备过程复杂的问题。

本发明提供了一种超级电容器用多孔碳电极材料，所述多孔碳电极材料具有多级孔结构，所述多级孔包括大孔、介孔及微孔；所述大孔由石蜡细乳液为模板形成，介孔和微孔由表面活性剂为模板形成。

另外提供了一种制备上述超级电容器用多孔碳电极材料的方法，其包括以下步骤：

(1)多糖凝胶的制备：将多糖溶液、表面活性剂和水混合均匀，加热至一定温度，加入固体石蜡，待石蜡熔融后，继续搅拌预乳化20min，然后将混合液超声处理3～8min，即得到稳定的细乳液；其中多糖、表面活性剂、石蜡和水的质量比为0.01～0.02:0.005～0.01:0.005～0.02:1；

(2)凝胶的碳化：将得到的细乳液在持续搅拌下冷却至室温，加入交联剂形成凝胶，将凝胶冷冻干燥，制得干凝胶，该干凝胶经碳化、酸洗、水洗及干燥即得多孔碳电极材料；上述碳化是将干凝胶在600～1000℃、N₂条件下碳化1～4h。

上述步骤中，多糖为壳聚糖或琼脂，当使用的多糖为壳聚糖时，加热温度为65～80℃，交联剂采用戊二醛，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)或聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物(P123)；当使用的多糖为琼脂时，加热温度为90～100℃，不添加交联剂，表面活性剂为十二烷基硫酸钠(SDS)；其中表面活性剂一方面用于稳定石蜡细乳液滴，另一方面作为介孔和微孔的模板剂。