[发明专利]一种掺氮氧碳纳米管/多孔炭的制备方法

说明书

本发明提供一种掺氮氧碳纳米管/多孔炭的制备方法，属于储能材料与技术领域，包括提供苯胺单体聚合形成聚苯胺颗粒，向聚苯胺颗粒进行渗碳处理得到前驱体压片，以及对前驱体压片进行预氧化处理和高温热解处理；上述最终产物掺氮氧碳纳米管/多孔炭复合碳材料中掺氮量为6～12wt％，掺氧量为4～8wt％。本发明所制掺氮氧碳纳米管/多孔炭电荷储存容量高，与电解液间浸润性和分散稳定性好，电导率和孔结构利用率高；制备方法能增加前驱体活性位点以提升碳材料中氮氧原子掺杂量，降低解离活性碳扩散阻力，改变前驱体热解的膨胀效应和引力变化以增加其石墨化程度和复合碳材料得率，降低碳管团聚和收缩率，缓和充放电过程中的体积膨胀效应。

技术领域

本发明属于储能材料与技术领域，具体涉及一种掺氮氧碳纳米管/多孔炭的制备方法。

背景技术

超级电容器，也被称为“电化学电容器”，由于具有传统电容器的高功率性、长循环性以及可充放电电池的高能量密度而被广泛研究。他们在数码产品、动力电车及可再生能源存储设备等广泛应用并被认为是非常具有前景的能量存储设备。超级电容器的电极材料直接影响着超级电容器的性能，因此高比电容、高比功率和比能量、充放电稳定的电极材料的制备就成为解决问题的关键。

目前，超级电容器的电极材料主要分为：碳材料、金属氧化物和导电聚合物。前者是双电层电容储能机理，后两者是赝电容储能机理。其中金属氧化物比电容高，但导电性差，结构致密、电势窗口窄且价格昂贵。碳材料导电性和循环稳定性好、耐化学介质，价格低廉，它们在低放电电流下能够产生高比电容量，然而高倍率性能却并不理想，这主要是由于活性碳材料内部大量的微孔使得碳的电极/电解液界面利用率较低所导致，但因空间有限，其存储能力有限，导致其比电容和能量密度较低。

目前商业化的电极材料主要集中于易工业化生产的多孔碳材料，主要有活性炭、活性炭纤维、碳纳米管、炭气凝胶和模板炭等。炭基材料中的碳纳米管由于其高电子导电率及丰富的孔结构被认为是最具前景的超级电容器电极材料，然而其较低的比表面积限制了碳材料双电层电容的发挥与利用。为实现炭基材料高能量密度的目标，对碳材料进行杂原子功能化是一种有效调节碳的化学性质和电化学性质的方法，即O、N、P、B等元素掺杂进碳材料的框架或作为表面官能团，能够通过法拉第反应产生赝电容去增加碳材料的比电容，可明显改善其电容性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能增加前驱体活性位点以提升复合碳材料中氮氧原子掺杂量；能降低解离活性碳扩散阻力，改变前驱体热解的膨胀效应和引力变化以增加前驱体石墨化程度和复合碳材料得率；降低碳管团聚和收缩率，缓和充放电过程中的体积膨胀效应的掺氮氧碳纳米管/多孔炭的制备方法；所制得复合碳材料双电层的电荷储存容量高，与电解液间浸润性和分散稳定性好，电导率和孔结构利用率高，能提供更高的电荷效率、比电容、高倍率性能及优异的循环稳定性。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：

一种掺氮氧碳纳米管/多孔炭的制备方法，包括：提供苯胺单体聚合形成聚苯胺颗粒，向聚苯胺颗粒进行渗碳处理得到前驱体压片，以及对前驱体压片进行预氧化处理和高温热解处理；

上述最终产物掺氮氧碳纳米管/多孔炭复合碳材料中掺氮量为6～12wt％，掺氧量为4～8wt％。复合碳材料中的氮氧原子在复合碳材料结构中引入电子受体特性进而产生赝电容反应，增加电极材料与电解液界面的浸润性，以及对多孔炭孔壁润湿具有积极作用，通过进一步增大复合碳材料的暴露表面进而提高电荷存储容量，使得复合碳材料获得大比容量、高倍率性能及优异的循环稳定性。

作为优选，苯胺单体聚合用苯胺和引发剂过硫酸铵的摩尔比为1～1.5:1；聚合反应条件为：0～5℃冰浴，磁力搅拌6～10h。聚苯胺作为含杂原子氮的前驱体，经过高温碳化时会发生脱氨基等化学反应，能在生成的复合碳材料体相中均匀地掺杂氮原子。通过向碳材料中引入异质原子(如氮、氧等)可以进行快速的电荷转移反应，从而增加复合碳材料的比容量，这部分容量贡献为“赝电容”。