[发明专利]一种三明治结构碳基超级电容器的制备方法

说明书

本发明提供了一种三明治结构碳基超级电容器的制备方法，其包括如下步骤：一、氮掺杂碳中空微球@MnS核‑壳结构正极材料的制备；二、纳米孔碳纤维负极材料的制备；三、配制PVA/KOH凝胶溶液的配制；四、三明治结构碳基超级电容器的封装。该法制备的三明治结构碳基超级电容器的制备工艺易于操作、无污染，该超级电容器比容量高、倍率特性好、循环使用性好，具有很好的商业化应用前景。

技术领域

本发明涉及一种三明治结构碳基超级电容器的制备方法，属于新型碳材料和电化学领域。

背景技术

超级电容器是在界面双电层理论基础上建立的介于传统电容器和二次电池的新型储能材料。超级电容器由于具有高的功率密度和能量密度、充电速度快、生产成本低和环境友好等有点，为能源的存储和高效利用提供了巨大帮助。超级电容器主要由电极、隔膜和电解质组成。根据电极材料的不同，超级电容器在充放电过程中的储能机理则不同，储能机理主要包括双电层电容和赝电容。前者主要是在电解质与电极之间产生双电层界面，而后者主要依靠电极表面的氧化还原电荷的转移来存储电荷。碳基材料属于双电层电容器，而过渡金属化合物和导电聚合物材料属于赝电容器，相比于过渡金属化合物和导电聚合物材料，碳基材料因其廉价易得、工作温度范围宽、比重小、化学稳定性高，比表面积大、孔隙结构发达、绿色环保等优点而备受关注。目前碳基材料主要研究集中在活性炭、碳纤维、碳纳米管、石墨烯和碳化物衍生物等。

然而在实际使用过程中，碳材料的大比表面积并不能完全被利用，孔径分布和电解液类型会影响双电层的形成，造成实际比电容只有理论的10％。因此为了克服以上缺陷，将碳材料制备成可控分级纳米结构，通过调整电机材料的物理/化学性质来改善碳材料的能量密度。例如，He等人以煤沥青为原料，采用纳米模板法结合活化技术制备了相互连接的三维多孔石墨烯纳米囊，材料的比表面积高达1985m²/g，孔径大小为0.7～4.0nm，微孔/超微孔共存使得电极材料具有更好的电化学性能。在电流密度为20A/g时的比电容为194F/g，经过15000次循环后的比电容仅衰减了2.6％，表现了很好的循环稳定性(He X，et al.ZnOtemplate strategy for the synthesis of 3D interconnected graphenenanocapsules from coal tar pitch as supercapacitor electrode materials,J.Power Sources,2017,340,183)。Guo等人用SiO₂为模板，在不同温度下碳化CCl4和乙二胺制备氮掺杂的介孔碳，该氮掺杂介孔碳在1A/g的电流密度下，比电容为210F/g，在3A/g的电流密度下持续充放电10000次，其比容量保持率可达到96.6％(Guo D,et al.Facilesynthesis of nitrogen-enriched nanoporous carbon materials for highperformance supercapacitors,J.Colloid Interf.Sci，2019,538,199)。尽管碳材料已经商业化生产，但单一碳基双电层电容器能量密度相对较低是目前实际生产应用的瓶颈。如何进一步提高碳基材料的比电容，提高其能量密度成为人们研究的关键。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种三明治结构碳基超级电容器的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种三明治结构碳基超级电容器的制备方法，其包括如下步骤：

分别制备正极板、负极板和PVA/KOH凝胶溶液；

将正极板、负极板和PVA/KOH凝胶溶液进行封装，得到所述三明治结构碳基超级电容器；

所述正极板的制备方法为：

将无水乙醇、氨水和蒸馏水混匀后，加入正硅酸四乙酯，混匀，加入盐酸多巴胺水溶液，反应后，经过离心、洗涤和干燥，得到聚多巴胺@SiO₂微球；