[发明专利]掺氮三维双连续多孔碳与石墨烯的复合电极及制备与应用

说明书

本发明涉及一种掺氮三维双连续多孔碳与石墨烯的复合电极及制备与应用，属于电容器电极技术领域。包括集流体和复合材料，复合材料负载在集流体表面，复合材料含有掺氮三维双连续多孔碳和石墨烯；掺氮三维双连续多孔碳多孔碳颗粒用于充当间隔物以避免石墨烯的重新堆叠，且用于增大与石墨烯的接触面积。制备方法为将掺氮三维双连续多孔碳和石墨烯混合，加入粘结剂和溶剂，然后涂布于集流体上，或将集流体浸没其中；干燥后即得到复合电极。本发明提供的掺氮三维双连续多孔超薄碳与高导电率石墨烯复合的超级电容器的电极，具有优异的导电能力、高于传统电容器的比容量与能量密度、良好的电化学循环稳定性，且工艺简单，成本低廉，环境友好。

技术领域

本发明属于电容器电极技术领域，更具体地，涉及一种掺氮三维双连续多孔碳与石墨烯的复合电极及制备与应用。

背景技术

近年来，能源需求的日益增大与能源资源的日益短缺这一矛盾愈加恶化，急需我们解决。因此，各种形式的新型能源开始进入人们的生活中，例如太阳能、风能等。能源种类的多样化，有利于绿色可持续发展，与此同时，提高储能水平，增大能源的利用率，也是减少能源消耗，减少污染的一种非常重要的方式。

超级电容器是一种新型的电化学储能器件，与传统电容器相比，它具有更高的能量密度，而与电池相比，它又具有更快的充放电速率，更高的功率密度，以及更长的循环寿命。目前商业化的超级电容器都是比传统电容器有高的能量密度，比电池有高的功率密度，且循环使用寿命长、成本低，被应用到诸多领域。在超级电容器应用领域的不断拓展驱动下，研制高比容量、高稳定性的电极材料已成为世界的热点课题。常用的电极材料有金属氧化物、导电聚合物和多孔碳材料。由于多孔碳材料来源广泛、化学稳定和循环使用寿命长，尤其是具有高比表面积和高孔容，且相对于碳纳米管、石墨烯等碳材料具有成本低、原料丰富等优点，因此用其作为超级电容器的电极材料成为目前的研究热点。

有研究表明，利用天然生物材料为碳源制备的多孔超薄碳层，环境友好，并其自身生物模板结构的独特性显示出应用性能的优势，而且基于生物质多孔碳形成碳基质与孔的双连续结构，并且可以在长度、宽度、厚度三维尺度拓展，具有更好的导电等物理性能。因此，选择不同的碳源生物模板与处理工艺是制备不同性能和用途的多孔碳的关键。例如LiSun等人在[Journal of Materials Chemistry A 2013,1,6462–6470]中使用椰壳作为多孔碳的前驱体，在催化剂FeCl₃和活化剂Zncl₂作用下高温热解并经酸处理后得到多孔碳材料，其BET比表面积为1874m²/g、总孔容积1.21cm³/g，比电容268F/g，并将其作为电极材料应用在超级电容器上。而碳基材料一般比表面积在2180-3100m²/g，但是现有的多孔生物质碳，因为材料组成与结构等原因，比电容相对较低(250F/g)；现有石墨烯的实际比电容也限制在300F/g。

发明内容

本发明解决了现有技术中电容器电极导电性能差、能量密度低以及循环性能差的技术问题，本发明的目的在于提供一种成本低廉，制备简单，但导电性能、能量密度和循环性能良好的掺氮三维双连续多孔碳与石墨烯的复合电极，其中空隙丰富的掺氮三维双连续多孔碳对提高比容量有很大帮助，再同石墨烯复合，又能大大提高超级电容器的能量密度。

按照本发明的第一方面，提供了一种掺氮三维双连续多孔碳与石墨烯的复合电极，包括集流体和复合材料，所述复合材料负载在集流体表面，所述复合材料含有掺氮三维双连续多孔碳和石墨烯；所述掺氮三维双连续多孔碳用于充当间隔物以避免石墨烯的重新堆叠，且用于增大与石墨烯的接触面积。

优选地，所述复合材料含有的掺氮三维双连续多孔碳的质量份数为5-20份，含有的石墨烯的质量份数为1-3份。