[发明专利]一种高电容量碳纤维电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种高电容量碳纤维电极材料及其制备方法和应用，所述碳纤维电极材料为氮掺杂的导电纤维碳材料，所述制备方法包括：将有机纤维置于保护气氛中，先在300～800℃下预烧结，然后置于氨气气氛中、500～800℃下热处理，最后再于保护气氛中、900～1200℃下碳化处理后并降至室温，得到所述氮掺杂的导电纤维碳材料；所述有机纤维为聚丙烯腈基纤维、粘胶纤维、沥青纤维中的至少一种，优选为氨纶、涤纶、维纶、芳纶、聚苯并咪唑PBI纤维、聚酰亚胺PI纤维中的至少一种。

技术领域

本发明涉及一种超级电容器赝电容型电极材料及其制备方法和应用，具体涉及一种高电容量碳纤维电极材料及其制备方法和应用，属于超级电容器赝电容型电极材料技术领域。

背景技术

一些工业过程(如半导体、化学、制药、造纸、纺织工业)对电源的短暂中止和混乱非常敏感，并且会引起昂贵的生产损失。从几秒到几分钟的UPS(不间断能量系统)装置可以保护这些敏感负载。超级电容器对于这些应用能提供更好的能量对功率的比率，并且缩减这类系统的大小和成本，使得它们更加可靠。军事和空间应用中都使用各种各样的传动器，如潜艇系统中的排水控制、海军航行器的发射、坦克和卡车在很冷或很热情况下的启动、运载火箭上强行引导控制传动器、雷管、脉冲激光等等，以及燃料电池的动力响应也都可以用超级电容器来激发，如果仅仅需要部分燃料电池的能量(如晚上)，那么超级电容器就能提供基本负载，燃料电池其它的辅助系统(泵、压缩机)就可关闭，这将提高效率。

超级电容器还可与电池或传统电容器组合成多动力系统，电池提供基本的负载电力或在低功率给超级电容器充电，这种组合系统应能与仅有电池的系统相抗衡。同样，如果所需的能量仅仅在很短的时间，那么传统电容器与超级电容器也可以组合。在这种情况下，电介质电容器释放峰功率。在所有的电化学超级电容器电极材料中，研究最早和技术最成熟的是碳材料，炭基超级电容器与其他类型超级电容器相比，具有成本低廉、无污染、循环寿命长等优点，但是由于其内阻较大，且正极比容量相对较低，这将影响电容器的整体性能。主要集中在制备具有大的比表面积和较小内阻的多孔电极材料上，可用做超级电容器电极的碳材料主要有活性碳、纳米碳纤维、玻璃碳、碳气凝胶、纳米碳管等。从材料的发展趋势来看，主要是基于双电层储能原理，向着提高有效比表面积和可控微孔孔径的方向发展。之所以提出可控微孔孔径的概念，是因为一般要及以上的空间才能形成双电层，才能进行有效的能量储存。而制备的碳材料往往存在微孔的不足，致使比表面积的利用率不高。所以，这个系列的发展方向就主要是可控微孔孔径，提高有效比表面积。

现在得到最大规模应用的活性炭大部分表面积均是微孔，但是因为有较大的孔中溶液阻抗，导致比电容量一直没有得到很大突破。玻璃碳、碳纳米管等材料，由于其独特的结构性能，用于超级电容器的研究倍受重视。碳纳米管作电极材料有它的优越性结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔集中在一定范围内且微孔大小可控。从理论上讲应是做的理想材料。这体现了相对高频放电的优点，这同样也预示着由碳纳米管为电极材料做的电容器具有高的能量密度，而实验结果也确实证明它具有的能量密度。但是，碳纳米管用作电化学超级电容器电极材料的研究还有许多工作有待进行，比如碳纳米管的石墨化程度，碳纳米管管径的大小，碳纳米管的长度，碳纳米管的弯曲程度，以及不同处理方式所带来的碳纳米管接上基团的不同等都会对由它组成的电化学超级电容器的性能产生很大的影响。目前来看，石墨化程度低、管径小、长度短、比表面积大的碳纳米管具有更好的可逆容量。