[发明专利]一种孔径可调节的多孔碳球超级电容器电极材料及其制法

说明书

本发明涉及超级电容器领域，且公开了一种孔径可调节的多孔碳球超级电容器电极材料，以超交联的聚苯乙烯组分作为碳源，硫脲组分作为氮源和硫源，聚乙二醇组分作为致孔剂，高温热裂解得到氮、硫共掺杂多孔碳球，氮、硫元素均匀掺杂在多孔碳的基体中，氮元素掺杂形成吡啶氮和石墨氮结构，优化多孔碳的电子结构和能带结构，有利于提高多孔碳的双层电容特性和导电性，硫掺杂可以产生丰富的含硫官能团，可以产生良好的法拉第赝电容，并且通过控制致孔剂聚乙二醇的分子量和分子链长度，调控热裂解碳化过程中孔隙和孔径结构，可以优化和提高多孔碳的孔隙结构和孔径大小，表现出优异的实际比电容和电化学性能。

技术领域

本发明涉及超级电容器领域，具体为一种孔径可调节的多孔碳球超级电容器电极材料及其制法。

背景技术

超级电容器是一种基于电极表面电荷吸/脱附实现充放电的新型储能器件，具有功率密度高、循环性能稳定性与安全性，在家用电器电力储能方面具有重要的应用，其中超级电容器的电极材料对其电化学性能影响很大，目前超级电容器的电极材料主要有碳电极材料，如活性碳、石墨烯等，过渡金属氧化物电极材料，如二氧化锰、二氧化钌等，导电聚合物电极材料，如聚苯胺、聚吡咯等。

目前商业化的超级电容器电极材料为碳电极材料，具有比表面积高、孔道结构丰富，导电性能优异、稳定性好等优点，但是碳电极材料的理论比容量不高，阻碍了碳电极材料的进一步应用和发展，目前可以将N、P、S等杂原子对碳材料进行掺杂，可以调节碳材料的能带结构和电子结构，改善表界面亲水性、润湿性以及本征导电性，并且可以通过调控碳材料的孔隙结构，提高碳电极材料的比表面积和电化学活性位点，进一步提高碳电极材料的实际比电容。

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种孔径可调节的多孔碳球超级电容器电极材料及其制法，解决了传统的碳电极材料的实际比电容不高的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种孔径可调节的多孔碳球超级电容器电极材料，所述其制备方法包括以下步骤：

(1)向反应瓶中加入乙醇溶剂、氯甲基聚苯乙烯微球和硫脲，置于恒温水浴锅中，加热至40-60℃，匀速搅拌反应4-10h，过滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤并干燥，制备得到硫脲接枝聚苯乙烯微球。

(2)向反应瓶中加入甲苯溶剂、硫脲接枝聚苯乙烯微球、聚乙二醇、促进剂十六烷基三甲基溴化铵，以及氢氧化钠的水溶液，加热至70-90℃，匀速搅拌反应6-18h，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物并干燥，制备得到聚乙二醇-硫脲共接枝聚苯乙烯微球。

(3)向反应瓶中加入四氯化碳溶剂、聚乙二醇-硫脲共接枝聚苯乙烯微球和三氯化铝，在70-80℃下匀速搅拌反应12-36h，依次加入丙酮、稀盐酸和蒸馏水猝灭反应，过滤除去溶剂，使用丙酮、稀盐酸和蒸馏水洗涤产物并干燥，制备得到超交联改性聚苯乙烯微球。

(4)将超交联改性聚苯乙烯微球置于气氛电阻炉中，在氮气氛围中，进行热处理过程，制备得到孔径可调节的多孔碳球超级电容器电极材料。

优选的，所述步骤(1)中的氯甲基聚苯乙烯微球和硫脲的质量比为100:10-25。

优选的，所述步骤(1)中的恒温水浴锅包括水浴槽，水浴槽外侧设置有保温层，水浴槽内部设置有加热圈，水浴槽内部下方固定连接有底座，底座上方设置有反应瓶，水浴槽上方设置有保温盖板，保温盖板内部设置有导轮，导轮通过轮槽与移动板活动连接。

优选的，所述步骤(2)中的聚乙二醇为聚乙二醇2000或聚乙二醇4000或聚乙二醇6000或聚乙二醇8000或中聚乙二醇10000的任意一种。

优选的，所述步骤(2)中的硫脲接枝聚苯乙烯微球、聚乙二醇、十六烷基三甲基溴化铵和氢氧化钠的质量比为100:50-70:40-200:500-600。