[发明专利]一种用于全固态超级电容器的碳纳米气凝胶材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种用于全固态超级电容器的碳纳米气凝胶材料及其制备方法与应用，制备方法包括将美洲大蠊粉、2‑甲基咪唑依次加入至硝酸锌溶液中并搅拌混合均匀，再将溶液依次经过离心、冻干、煅烧、洗涤、干燥过程后，即得到N自掺杂碳纳米气凝胶材料；该材料可用于制备全固态超级电容器。与现有技术相比，本发明通过使用美洲大蠊粉与ZIF‑8合成N自掺杂碳纳米气凝胶，合成的碳材料含有丰富的中孔和微孔，可达到良好的电化学性能，其比电容达到223F/g。

技术领域

本发明属于电化学和纳米材料技术领域，涉及一种用于全固态超级电容器的碳纳米气凝胶材料及其制备方法与应用。

背景技术

超级电容器是一类介于传统电容器和电池之间的新型储能设备，兼具能量密度高与功率密度大的优点。作为超级电容器中最主要的电能存储贡献者，电极材料是影响超级电容器性能和生产成本的关键因素。基于电荷存储机制，超级电容器电极材料通常分为双电层电容材料和法拉第赝电容材料。以碳材料为代表的双电层电容材料是目前市场上最为商业化应用的超级电容器电极材料。用于超级电容器电极制作的碳材料其合成原料主要来自于矿物燃料、天然植物和合成高分子。天然植物由于环保可再生、来源丰富、价格低廉、碳含量高，受到广泛青睐。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于全固态超级电容器的碳纳米气凝胶材料及其制备方法与应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于全固态超级电容器的碳纳米气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将美洲大蠊粉加入至硝酸锌溶液中并搅拌混合均匀，得到混合溶液；

2)将2-甲基咪唑加入至混合溶液中并搅拌混合均匀，得到反应前体溶液；

3)反应前体溶液依次经过离心、冻干、煅烧、洗涤、干燥过程后，即得到N自掺杂碳纳米气凝胶材料。

进一步地，步骤1)中，所述的硝酸锌与美洲大蠊粉的摩尔比为1:(1-4)，通过调整硝酸锌与美洲大蠊粉的摩尔比有利于形成多孔碳结构，增加电极材料的比电容，提高材料的性能。

进一步地，步骤1)中，搅拌时间为10-12h，搅拌温度为室温。

进一步地，步骤2)中，所述的2-甲基咪唑与硝酸锌的摩尔比为1:(0.5-2)。

作为优选的技术方案，步骤2)中，所述的2-甲基咪唑在持续搅拌状态下逐滴加入至混合溶液中。

进一步地，步骤2)中，搅拌时间为20-24h。

进一步地，步骤3)中，所述的煅烧过程中，煅烧温度为600-800℃，煅烧时间为1-5h。

进一步地，步骤3)中，所述的煅烧过程中，所用煅烧气体为氮气或氩气，煅烧气体流速为20-50mL/min。

进一步地，步骤3)中，所述的洗涤过程中，所用洗涤剂依次包括盐酸与去离子水。

一种用于全固态超级电容器的碳纳米气凝胶材料，采用如上所述的方法制备而成，可用于制备全固态超级电容器，具体的制备方法包括将碳纳米气凝胶材料与炭黑、聚四氟乙烯以质量比(7-10):(0.5-2):1混合，并压合于泡沫镍片上，之后再在50-80℃下干燥6-18h后，即得到所述全固态超级电容器的工作电极。