[发明专利]一种基于多级孔氮氟掺杂碳材料工作电极的超级电容器的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于多级孔氮氟掺杂碳材料工作电极的超级电容器的制备方法，超级电容器包括酸性三电极体系、碱性三电极体系、酸性两电极体系和碱性两电极体系，所述多级孔氮氟掺杂碳材料的比表面积为3619.244m²/g，含有大量微孔、介孔及大孔。本发明以菠萝蜜外表皮和氟化铵盐共同作为碳源、氮源和氟源，在碳前驱体的基础上引入杂原子，提高碳材料的亲水性、导电性以及起到增加赝电容的作用，进一步提高所合成电极材料的电容性能以及储存能量能力。

技术领域

本发明属于超级电容器的制备技术领域，具体涉及一种基于多级孔氮氟掺杂碳材料工作电极的超级电容器的制备方法。

背景技术

自两次工业革命后，传统能源的消耗给我们生存的环境带来了许多不可逆转的伤害，因此进入二十一世纪后许多国家不约而同的开启了寻找高效清洁能源的计划。以美国为首的发达国家，启动大批绿色新能源项目，推动了可再生能源的发展。清洁的新能源技术成为人类可持续发展的核心之一，包括地热能、太阳能、风能及核能等。但是，在太阳能、风能等间歇能源的转化和利用过程中，电能的存储是瓶颈问题之一。先进的电化学储能系统有赖于高性能、绿色环保和低成本的电极材料及集成制造技术的发展。超级电容器作为一种新型的能源储存装置，具有功率密度高、充放电速率快、操作温度宽、循环寿命长、安全性能高以及环境友好等优点。并且因其优良的性能在某些领域展现出取代传统电池系统的潜力。因此，超级电容器储能技术受到美国、日本等国的广泛关注，并视为下一代先进能源存储系统研发的战略目标之一；我国政府也快速响应，将超级电容器电极关键材料的制备技术列入国家中长期科学和技术发展规划纲。

电极材料对于超级电容器来说是至关重要的因素。多级孔碳材料是指材料结构中含有发达的空隙结构，即同时拥有一定比例的大孔、介孔和微孔，不同孔径的孔起着不同的作用：大孔相当于储存离子的“缓冲库”；介孔可以缩短离子传输距离，可以促进离子的快速扩散与传输；微孔对于形成双电层骑着必要的离子吸附作用。目前，制备多级孔碳材料的方法主要有模板法、活化剂法、直接碳化法等，但是模板法合成成本较高、产率较低、合成复杂且不能实现大规模量产，大大降低了其商业价值；而表面活性剂以及聚集体为代表的软模板法具有结构难以调控的缺陷。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单且成本低廉的基于多级孔氮氟掺杂碳材料工作电极的超级电容器的制备方法。

本发明首次以菠萝蜜外表皮和氟化铵盐共同作为碳源、氮源和氟源，在碳前驱体的基础上引入杂原子，提高碳材料的亲水性、导电性以及起到增加赝电容的作用，进一步提高所合成电极材料的电容性能以及储存能量能力。

本发明通过改变活化剂含量以及活化温度来调控微孔比表面积所占总比表面积的比例，进而以该有效简单无毒无污染原料易得成本低新颖可控的方法合成多级孔氮氟掺杂碳超级电容器电极材料。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种基于多级孔氮氟掺杂碳材料工作电极的超级电容器的制备方法，其特征在于：所述超级电容器包括酸性三电极体系、碱性三电极体系、酸性两电极体系和碱性两电极体系，所述多级孔氮氟掺杂碳材料的比表面积为3619.244m²/g，含有大量微孔、介孔及大孔；

所述酸性三电极体系以涂覆有多级孔氮氟掺杂碳材料、乙炔黑和12wt% PTFE乳液的混合浆料的不锈钢板网电极片为工作电极，以不锈钢板网电极片为辅助电极，以硫酸亚汞电极为参比电极，以硫酸溶液为电解液，该酸性三电极体系在1A/g的恒电流密度下，比电容为550.0F/g，在20A/g的大电流密度下，比电容达到312F/g，且测试曲线表现出良好的对称性，体现出其优越的倍率性能，利用循环伏安法测试，即使在200mV/s的扫描速率下，测试曲线仍然表现出良好的矩形形状，该电极在电流密度为30A/g时经10000次循环后比电容保持率达到94.5%，表现出其卓越的循环稳定性；