[发明专利]金属硫化物/氮掺杂碳纤维复合纳米薄膜、柔性自支撑超级电容器及制备方法

说明书

本发明公开了一种金属硫化物/氮掺杂碳纤维复合纳米薄膜、柔性自支撑超级电容器及制备方法。本发明首先在高纯氮气环境下对超级电容器专用无纺布纤维素聚合物隔膜纸进行高温碳化，并采用化学浸镀工艺对碳纤维表面镀铜；得到了富含纳米级超细纤维、孔径丰富、比表面积高，且导电性和柔韧性良好的氮掺杂碳纤维纳米薄膜。以氮掺杂碳纤维纳米薄膜作为导电骨架，在其表面均匀生长了多元金属硫化物CuNiS₂纳米片，得到金属硫化物/氮掺杂碳纤维复合纳米薄膜。将此复合纳米薄膜作为电极片，制备的柔性自支撑超级电容器具有能量密度高、功率特性好、使用寿命长、成本较低、可折叠弯曲等优点，可作为移动装备、可穿戴设备、电动汽车、军工装备的电源使用。

技术领域

本发明属于储能技术领域，具体涉及一种金属硫化物/氮掺杂碳纤维复合纳米薄膜、柔性自支撑超级电容器及制备方法。

背景技术

随着能源与资源的日益短缺、生态环境的逐渐恶化，人类将更加依赖于新能源和节能环保技术；储能技术作为新能源和节能环保产业发展的关键环节越来越受到各方重视，加快储能技术的创新研发具有重要的现实意义，社会和经济效益巨大。

超级电容器是一种性能介于传统电容器和电池之间的新型储能技术，具有功率密度高、充放电速度快、使用寿命长、温度范围宽、效率高、免维护、安全环保等优点。但超级电容的能量密度较低，通常不超过10Wh/kg，仅有铅酸蓄电池的25％、锂电池的10％左右；并且制备工艺流程比较复杂、成本较高，限制了其大规模应用。

要提高超级电容器的能量密度，目前主要的技术手段有三种。一是采用比表面积更大的新型碳纳米材料，并优化修饰其内部结构，提升材料的比电容量，从而提高能量密度；二是在多孔碳材料表面沉积过渡金属氧化物，形成复合电极材料，通过其产生的法拉第赝电容效应来提高能量密度；三是引入电池技术，一个电极采用多孔碳材料电极，另一电极采用锂电池电极，制备混合型超级电容电池。

要简化超级电容器的制造工艺、降低成本，则主要是通过对其部分制造工艺过程进行优化改进，缩短工艺处理时间来实现。

与本发明相关的现有技术一

现有技术一的技术方案：

采用各种新型纳米级多孔碳材料如碳纳米管、碳气凝胶、石墨烯等作为电极材料，并对其孔径进行优化修饰，提高材料的比表面积和比电容量，从而提高能量密度。

现有技术一的缺点：

能量密度的提升幅度有限，一般不超过15Wh/kg；且材料制备工艺复杂，成本高。

与本发明相关的现有技术二

现有技术二的技术方案：

采用金属氧化物如RuO₂、MnO₂、NiO、Co₃O₄等作为电极材料，通过金属氧化物产生的赝电容效应来提升电极材料的比电容量以及能量密度。

现有技术二的缺点：

通过金属氧化物的赝电容效应对能量密度有一定提高，但是不够理想，一般不超过25Wh/kg；而且材料的稳定性低，寿命较短。

与本发明相关的现有技术三

现有技术三的技术方案：

一极采用多孔碳材料电极，另一极采用锂电池电极，形成混合型超级电容电池；结合了双电层效应和电化学效应，能够较大幅度提高能量密度。

现有技术三的缺点：

由于内部包含电池电极，存在电化学反应，因而寿命短、功率密度低、稳定性低。

与本发明相关的现有技术四

现有技术四的技术方案：