[发明专利]一种多孔石墨材料及制备方法和在超级电容器应用

说明书

本发明属于超级电容器领域，具体涉及一种多孔石墨材料及制备方法和超级电容器，所述石墨材料的比表面积为3500‑4000m²/g，孔隙率大于2cm³/g，孔径小于2nm的微孔占比超过80％，比电容大于200F/g。本发明制备得到的用于超级电容器的多孔石墨具有更高的比表面积、孔隙率、更小的孔径以及更均匀的三维结构。所制备的超级电容器电极具有更高的比电容，性能更稳定，寿命更长。

技术领域

本发明涉及超级电容器用石墨材料及其制备，尤其涉及一种用于超级电容器制备的多孔石墨材料。

背景技术

超级电容器是一种介于电池和传统电容器之间的新型储能元件，具有大容量、高功率密度及循环寿命长等特点。在电动汽车、消费电子、能源电力、交通运输及航空航天等领域都有着广泛的应用。

超级电容器可分为两类：第一类是双电层超级电容器，主要电极材料为活性炭、石墨、碳纤维和碳纳米管等；第二类是法拉第准电容超级电容器，主要电极材料为NiO、RuO₂和MnO₂等。非晶态的RuO₂是一种较好的电极材料，但价格昂贵，且贵金属对环境有污染。活性炭(AC)材料是碳基超级电容器的核心材料。使用成本较低、环保的碳材料来提高超级电容器的性能是研究的重点。活性炭的生产历史悠久、原材料丰富、价格低廉、电化学稳定性高。活性炭作为电容器电极材料依据的主要是其多孔特性，活性炭的孔结构包括大孔、中孔及微孔结构。在中孔和微孔结构中由于孔径的限制，电解液扩散及电解质的迁移速率不高，因此会限制超级电容器的充放电功率即功率密度。对于很多的应用领域，要求能够瞬间完成超大电流快速充放电，在这种情况下，现有的活性炭材料还很难满足这一要求。目前世界各地的科学家都用不同的方法制备获得了不同性能的活性炭，但其表面积基本很难达到3000m²/g以上，通常BET表面积在1900～3000m²/g的多孔活性炭在用于超级电容器的时候，在1mol/LH₂SO₄溶液中的比电容在200～3200F/g。这样的性能能够满足通常的需求，但在越来越多高端需求和随着新能源和智能穿戴设备的兴起，对超级电容器的性能的要求也越来越高，其中碳材料的性能是提高超级电容器性能的重要一方面。

目前有研究制备出高表面积活性炭一般都是采用具有微观结构优势的植物材料、如稻壳、如椰壳、如秸秆等等，再利用特定的物理化学处理，然后碳化获得高比表面积的活性炭材料，但对于纯粹利用化学手段合成物制备获得的高比表面积活性炭材料的技术目前还相对较少。

利用传统的方法制备得到的活性炭在微观结构上仍存在很多的不足，比如微观三维结构不够好，不够均匀或者没有三维结构，另外，孔隙率不够大，没有或者很少纳米级别的微孔结构。这些原因综合导致了所得到的活性炭材料的性能不够稳定、或者不够高，也报告通过这些碳材料获得的超级电容器电极的寿命不够长，因此这些性能亟待提高。

发明内容

本发明的第一个目的是保护一种多孔石墨材料，所述材料的孔隙率大于2cm³/g，孔径小于2nm的微孔占比超过80％；所述材料的微观结构为三维分叉结构。上述性能的石墨材料在用作超级电容器的电极时具有非常优异的性能，同等炭量的电容约为其他常用石墨材料的1.5-2倍。

上述三维分叉结构类似树枝状，每一个分叉的直径约为100～200nm。

优选的，所述材料的比表面积为3500-4000m²/g，比电容大于200F/g。进一步满足上述性能的情况下，材料的性能更优。

本发明保护一种多孔石墨材料的制备方法，其主要改进之处为，以聚丙烯酰胺和N,N-二甲基丙烯酰胺为主原料制备多孔石墨烯的过程中，制备得到水凝胶后对所述水凝胶进行溶胀和改性处理。