[发明专利]一种碳材料-碳纳米纤维复合材料和双层电容器

说明书

本发明提供了一种碳材料‑碳纳米纤维复合材料和双电层电容器。该复合材料为在比表面积为100～1000m²/g，细微气孔所占体积为80％以上的碳材料表面上生长碳纳米纤维获得，可提高电极密度和体积容量的同时可以显著抑制充电/放电过程中发生的电极的体积膨胀率，适合用作单位体积容量增加的电容器材料。此外，碳纳米纤维的结晶度大于常规电容器材料的结晶度，并能引起材料之间的紧密接触，这对于大电流特性是有利的，并且还可以起到导电剂的作用。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种碳材料-碳纳米纤维复合材料和双层电容器。

背景技术

双电层电容器既有在固体电极和液体电解质接触的界面处产生的双层产生的双层静电容量，也有离子通过吸附到电极表面或氧化还原反应过程进入双层而产生的虚拟静电，因此可以应用于大容量电动汽车、混合动力电动汽车和大容量电源。

双电层电容器的电极通常通过将粉末状的活性炭与作为导电剂的炭黑混合，并且将其粘贴到集电体上，并添加用于使活性炭与导电剂和集电体之间结合的粘合剂而使用。通过在碳纤维或活性碳纤维上形成金属集电体，或者在导电橡胶或金属集电体上压缩碳糊或将含活性炭粉末的浆料涂布到金属集电体上来形成极化电极的方法制作双电层电容器。

通常用作双电层电容器的电极的材料所需的特性包括高容量、电极密度、循环特性和低体积膨胀率。因此，用于双电层电容器的电极的材料为了降低体积膨胀系数而使用比表面积在2000～3500m²/g材料，但是这些大的比表面材料做出来的产品存在电极密度低，体积容量过小的问题。另外，相反地，当使用具有小比表面积的材料来改善体积膨胀率时，电极密度和单位体积的容量会增加，但是相反，体积膨胀率也增加，因此存在不适。

通常，电极的“体膨胀率”是主要使用用于测量二次电池等在充电/放电期间电极厚度变化的方法，一般采用日本大阪市立大学的Ozuku提出的膨胀计(dilatometer)法，不过在本发明中，通过使用如图1所示的盘状电极分别测量充电/放电之前和之后电极的厚度变化，并且将改变。

另外，在通常用于电容器电极的材料中，高的“体积膨胀率”是指在充放电期间使用该材料制造的电极的体积膨胀率达到30％～50％。因此，当通常由用于电容器的材料制成的电极的体积膨胀率为30％至50％时会破坏电极结构导致内阻增加及容量减少，电容外形变形，所以必须控制的因素

因此，为了用作电容器的电极，需要开发能够充分满足上述相反特性的材料，特别是必须满足电极制造时体积膨胀率不应太大条件，但目前对于该问题的研究非常不足。

发明内容

本发明为解决现有技术中的上述问题，提供了一种碳材料-碳纳米纤维复合材料和双层电容器，使用碳纳米纤维在碳材料的表面上生长，并且该表面被碳纳米纤维改性，从而提供了比表面积和气孔直径以及气孔体积等特性改变的复合材料作为电极材料为特征的双电层电容器。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一方面是提供一种碳材料-碳纳米纤维复合材料，其制备方法包括如下步骤：

步骤一，将碳材料添加到溶解有金属催化剂的溶液中并搅拌，直至负载在碳材料上的金属催化剂的的重量为碳材料重量的0.5～10％；

步骤二，将负载金属催化剂的碳材料过滤，回收负载金属催化剂的碳材料并干燥；

步骤三，将干燥后的负载金属催化剂的碳材料置于垂直炉或水平炉中，以50-100cc/分钟通入惰性气体置换10-40分钟，然后再通过以100-200cc/分钟的速度供应混合气体5-20分钟在干燥后的负载金属催化剂的碳材料的表面上生长碳纳米纤维，并形成上述碳材料-碳纳米纤维复合材料。