[发明专利]大电流充放电的氮氧共掺杂球/片多孔碳材料及其在超级电容器电极材料应用

说明书

本发明涉及一种大电流充放电的氮氧共掺杂球/片多孔碳材料的超级电容器电极材料及其制备方法，所述方法包括如下步骤：S1：将六溴苯与吡啶在高于大气压的反应压力下进行密闭反应；S2：反应结束后，泄压至常压，并自然冷却至室温，将所得固体洗涤、真空干燥，得到干燥样品；S3：将所述干燥样品在惰性气体保护下进行高温处理，从而得到所述氮氧共掺杂球/片多孔碳材料。所述氮氧共掺杂球/片多孔碳材料具有优异的电学性能，从而可应用于超级电容器领域。应用于超级电容器中可支持大电流充放电，并且可以宏量合成。本方法过程简单，性能优异，具有良好的应用前景和工业化潜力。

技术领域

本发明涉及一种复合材料及其制备方法与用途，具体是指一种大电流充放 电的氮氧共掺杂球/片多孔碳材料的超级电容器电极材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器是一种新型储能装置，它具有输出功率高、充电时间短、使用 寿命长、工作温度范围宽、安全且无污染等优点，被称之为“绿色储能器件”。

碳材料特别是杂原子掺杂的碳材料具有高比表面积、高导电率等特性，用 其制备的超级电容器具功率密度大和循环寿命长等特性，且资源丰富、结构多 样、成本适低。

但另一个方面，碳纳米材料作超级电容器的电极材料还存在比电容不低、 自放电现象严重和密度小等。很难满足便携式电源、电动汽车等对超级电容器 高能量/高功率密度的迫切需求。目前，将杂原子(氮、硼、磷、氟、氧、硫等) 掺杂到碳材料中，不仅能有效的提高材料的比容量，而且还能保持良好的较高 的功率密度和稳定性。

如CN107731557B和CN107658142B公开了一种超级电容器电极用氮氧共 掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料的制备方法。其中制备该复合碳材料的方法采 用环戊二烯基铁、铁粉、六氯丁二烯、吡啶为原料，以尿素溶液为氮源，反应 完成后再氩气保护下高温处理最终获得样品。所述的复合材料制作的电容电极 有较大的电容值，在20mV/s的扫速下容量有201.3F/g，稳定性好，制作成本 低，在电化学领域具有巨大的潜力。但该方法制备的材料加入有金属参与，会 无形增加材料的生产成本，容量也相对较低。

CN108711518A公开了一种氮氧共掺杂多孔碳纳米带及其制备方法和超级 电容器电极、超级电容器。所述氮氧共掺杂多孔碳纳米带由甲醛、对苯二酚在 酸性溶液中进行水热反应后经炭化处理和氨水活化处理，得到氮氧共掺杂多孔 碳纳米带。本发明制备方法制备的氮氧共掺杂多孔碳纳米带具有较大比表面积， 良好的润湿性，高的比表面积利用率。用该材料组装成的超级电容器在0.25A/g 的电流密度下，材料的比容量有287F/g。但该方法制备氮氧共掺杂多孔碳纳米 带生产方法复杂，原料有毒且对环境有污染、产量低，大规模制备较难。

CN108439369A公开了一种氮氧共掺杂中空碳纳米微球及其制备方法和超 级电容器电极、超级电容器。氮氧共掺杂中空碳纳米微球制备是将吡咯和苯胺 在含有软模板的水溶液中进行聚合反应，得到中空碳纳米微球前驱体；再将所 述中空碳纳米微球前驱体进行洗涤，粉化处理，再经炭化处理和氨水活化处理， 得到氮氧共掺杂中空碳纳米微球。本发明制备方法制备的氮氧共掺杂中空碳纳 米微球具有较大比表面积，良好的润湿性，高的比表面积利用率。用该材料组 装成的超级电容器在0.25A/g的电流密度下，材料的比容量有387F/g。该方法 制备的材料组装成的电容器在大电流下容量不理想。

如上所述，现有专利中报道了各种方法制备氮氧掺杂碳材料的方法，并且 由此得到了多种具有高性能的新型碳材料，但这些碳材料，在高倍率条件下通 常会发生迅速衰减，即使这样也很难在更为高的电流密度下(100A/g)发挥作 用。此外这些合成方法还存在成本高、宏量制备困难，这严重限制了其实际的 应用和工业化生产。

因此，基于目前超级电容器的缺陷以及改进方式，如何既能提高材料的大 倍率性能又能提高其稳定性，就变得十分十分重要的意义。目前杂原子掺杂碳 材料领域成为研究热点和重点，而这也正是本发明得以完成的基础所在和动力 所倚。

发明内容