[发明专利]一种电化学能量储存用三维纳米复合电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种电化学能量储存用三维纳米复合电极材料及其制备方法。所述电化学能量储存用三维纳米复合电极材料，由两种或两种以上纳米碳材料、导电剂、粘结剂与超级电容器电极材料或锂离子电池电极材料复合而成。所述电化学能量储存用三维纳米复合电极材料的制备方法，包括超级电容器用三维纳米复合电极制备和锂离子电池用三维纳米复合电极制备。本发明引入两种或两种以上纳米碳材料与导电剂对超级电容器或锂离子电池电极材料进行复合改性，通过对复合方法的优化，充分发挥多种纳米碳材料及其与导电剂的协同效应，使得本发明的三维纳米复合电极材料组装密度高、导电性好、倍率特性和电化学稳定性优异，且制备工艺简单、绿色环保、成本低廉、适于规模化生产。

技术领域

本发明涉及电化学能量存储技术领域，特别涉及一种超级电容器或锂离子电池用高性能新型三维纳米复合电极材料及其制备方法。

背景技术

20世纪以来，经济飞速发展，资源濒临枯竭，污染日趋严重，寻找能够代替石油、煤、天然气等化石能源的新型可再生能源已迫在眉睫。与此同时，新型能源技术的高速发展带来了对新型储能技术的迫切需求。

超级电容器（也称电化学电容器）是近几十年来国内外新兴发展起来的一种介于常规电容器与化学电池二者之间的新型储能元件。由于其具有较高的功率密度（10³～10⁴ Wkg^-1）、超长的循环寿命（达数十万次）以及较宽的工作温度范围（-40～70 ℃）等独特性能，超级电容器已被广泛应用于交通运输、可再生能源、工业与消费电子产品等领域。目前商用超级电容器的电极材料主要为高比表面积多孔碳材料，如活性炭（AC）粉、活性炭布、活性炭纤维、碳气凝胶、多孔石墨、多孔硬碳、介孔碳等，此类多孔碳材料由于制备工艺较为成熟、原材料丰富、生产成本较低等优点已被用作超级电容器的主流电极材料。随着市场对超级电容器性能要求的不断提高，此类多孔碳材料导电性较差、组装密度低、循环稳定性差等不足日益凸显，导致基于此类多孔碳电极材料的电容器能量密度低、功率性能较差、使用寿命受限。另外，目前商业化超级电容器电极材料制备过程中采用的导电剂主要是导电炭黑（如：SP），其导电性能具备一定的局限性，导致由此制备的电极材料导电性相对较差。因此，如何提高超级电容器用多孔碳电极的组装密度、改善其导电性，制备出具有高导电性、高组装密度、高循环稳定性的超级电容器用电极材料成为迫切需要解决的技术难题。

近年来，随着纳米碳材料（石墨烯（Graphene）、碳纳米管（CNT）、碳纳米纤维（CNF）等）的兴起，其优异的物理化学性能、极佳的导电性、结构纳米化等优点使其成为新材料领域的研究热点，大量的研究工作致力于将纯纳米碳材料用作超级电容器电极材料（CN106653389A、CN101271969A等）。然而，纳米碳材料极低的组装密度、复杂的制备工艺和高昂的生产成本使得其难以进行规模化、商业化应用。从而，将纳米碳材料用作导电添加剂与多孔碳材料相结合，进行复合改性而制备新型纳米碳-多孔碳复合电极的研究成为超级电容器电极材料领域近年来的热点课题。如CN106847834A、CN102214515A、CN1942985A等专利分别公开了将活性炭材料与石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维等纳米碳材料制备复合电极的方法，由这些方法制备的复合电极材料的性能得以改善，但此类由单一纳米碳材料与多孔碳电极复合改性来提高复合电极性能的方法具有局限性，仍难以满足市场对于高性能超级电容器的要求。