[发明专利]一种锯齿状氮掺杂SiC纳米线基高温超级电容器

说明书

本发明提供一种锯齿状氮掺杂SiC纳米线基高温超级电容器，所述超级电容器包括正负电极、隔膜和电解液，并将生长有锯齿状氮掺杂SiC纳米线的碳纤维布作为正负电极。所述锯齿状氮掺杂SiC纳米线基超级电容器能够在150℃温度下持续稳定工作，远高于目前大多数超级电容器使用温度，表现出优异的高温电化学性能。

技术领域

本发明化学电源技术领域，涉及一种锯齿状氮掺杂SiC纳米线基高温超级电容器。

背景技术

超级电容器是一种新型的储能器件，具有高功率密度，长的循环寿命和快速充放电的特点，被认为是一种理想的廉价、高性能、安全可靠的环保型能源储存设备。随着地下油气勘探、混合动力汽车和航天动力系统等新兴产业的发展，人们对高温超级电容器的需求越来越迫切。目前碳基材料是作为超级电容器的电极材料的主要材料，但是碳基材料在电化学储能领域应用中多低于100℃。

SiC作为第三代半导体材料，具有优异的高温稳定性，是高温超级电容器的理想候选材料之一。但由于SiC材料固有的电导率低的特点，如何获得一种高电化学储能能力，同时兼顾优异高温条件服役的超级电容器是一个巨大的挑战。目前有关增加SiC纳米材料作为超级电容器电极的电化学容量的方法多采用“加法策略”，即在SiC纳米材料表面引入外来物质的表面修饰方法，比如Zhao(Journal of Power Sources,332,(2016)355-365；ACSSustainable Chem.Eng.2016,4,3598-3608；Adv.Energy Mater.2018,8,1702787)等人基于水热法在SiC纳米线表面复合了CoNi₂S₄、NiCo₂O₄/NiO、NiCo₂O₄/Ni(OH)₂等活性材料，提高了材料整体的比表面积，获得了较高的电荷存储能力。然而这一系列外来材料的介入急剧降低基于SiC结构单元的器件的性能稳定性，削弱器件循环寿命。再如李(Mater.Horiz.,5,(2018)883-889)等人利用阳极氧化法制备了4H-SiC纳米孔阵列作为超级电容器电极，能够在60℃稳定下安全稳定服役，然而因为使用的电解质为KOH水溶液，严重限制了构建的超级电容器的服役温度上限。

因此，如何获得一种优异的SiC基高温超级电容器，使其能够在高温下(大于100℃)稳定服役，目前仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明针对现有技术中超级电容器的缺陷，采用生长有锯齿状氮掺杂SiC纳米线的碳纤维布作为超级电容器的正负电极，提高超级电容器的比电容同时提高了超级电容器的高温服役循环寿命。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种锯齿状氮掺杂SiC纳米线基高温超级电容器，所述超级电容器包括正极、负极、隔膜和电解液，并将生长有锯齿状氮掺杂SiC纳米线的碳纤维布作为正负电极。

本发明以锯齿状氮掺杂SiC纳米线作为超级电容器活性电极，利用SiC纳米线特殊锯齿状结构，不仅提高了电容器的比电容，同时保持了电极材料良好的高温服役循环寿命等其他电化学性能参数。

生长有锯齿状氮掺杂SiC纳米线的碳纤维布裁剪成2片规格完全相同的正方形小片，分别作为超级电容器的正负电极，形成自支撑电极。采用1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、N-甲基丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的一种或多种作为电解液，优选为1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐，采用纤维素纸隔膜、聚丙烯膜、聚乙烯膜中的一种或多种作为隔膜，优选为纤维素纸隔膜，从而组装成超级电容器。

作为优选，所述生长有锯齿状氮掺杂SiC纳米线的碳纤维布的制备方法包括以下步骤：