[发明专利]聚丙烯腈基硼碳氮纳米纤维电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种聚丙烯腈基硼碳氮纳米纤维电极材料及其制备方法和应用，该制备方法包括：硼源、碳源、氮源按照比例混合，研磨粉碎得到硼碳氮化物纳米粉末，该纳米粉末与模板材料混合作为同轴纺丝的壳层纺丝液，将聚丙烯腈与成孔模板剂混合作为芯层纺丝液，利用同轴静电纺丝制得电极材料前体，将电极材料前体高温碳化即可；本发明的硼碳氮包覆碳电极材料，硼碳氮化程度高，硼碳氮材料在聚丙烯腈碳纤维表面均匀覆盖，且稳定性好，多孔碳层一方面改善了电极材料的电导率，大大提升了储能过程电子传输率，加快了电子动力学过程，另一方面，硼碳氮材料贡献一定的储能性能，从而实现了高容量、高倍率、长寿命电化学储能器件的进一步发展。

技术领域

本发明属于电极纳米材料技术领域，具体涉及一种同轴静电纺丝的聚丙烯腈基硼碳氮纳米纤维电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着电子传感器、柔性显示器和健康监测器及可穿戴电子设备的快速发展，可穿戴的储能设备越来越受到各界研究学者的关注。在多种储能器件中，超级电容器具有比功率密度高、充放电速度快和循环稳定性好等优点，它还可以在大功率电源、电网储能整流系统、动车能量快速回收系统和短程动力电源被使用，被认为是未来储能应用中极具有前景的储能装置。

众所周知，电极材料是影响超级电容器性能的关键器件，其比表面积、孔隙率、电化学活性以及稳定性等会直接关联到超级电容器的整体性能。因此，制备出性能优异的电极材料是形成高性能的超级电容器关键。然而，仍然很难同时制造高能量密度、高功率密度和高循环寿命的超级电容器。因此，开发具有高比电容、循环稳定性和灵活性的电极材料是当前所期望的。目前，包括石墨烯、活性炭和碳气凝胶在内的多孔碳材料已经被广泛地应用制作电极材料，因为它们具有大的比表面积、良好的稳定性和易于结构控制。但是，由于碳电极材料的双层电容特性，其缺点是比电容和倍率性能较低。最近的研究表明，交联的3D碳网络结构可以提供高孔隙率的框架，以确保更大的离子接触表面，并且每个BCN纳米线中大量纳米孔的存在进一步增加了电活性位点，这有利于提高电极的导电性和电容。因此，合理设计和优化多孔结构是提高碳材料电化学性能的重要途径，有利于提高电极的导电性和活性部位可穿戴电子设备的快速发展对柔性全固态超级电容器产生了巨大的需求，同时也迫切需要高性能的全固态超级电容器电极材料。在超级电容器的各种电极材料中，导电聚合物如聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺又因其增强的理论电容和优异的能量密度而引起研究人员的高度兴趣。其中，聚苯胺因其易于合成、增强的导电性、经济性和稳定性而成为储能的有利材料。但是，聚苯胺仍然具有循环稳定性低、功率密度低、电子迁移率低和寿命短的缺点。其中锰、硫、钴等金属元素多用来做超级电容器的电极材料，他们的制作较为复杂和造价高。而氮化硼也是一种具有Sp²杂化的层状材料，具有良好的介电性能、导热性、增强的机械强度，并且还表现出光滑的表面，但是，氮化硼的缺点是其绝缘性能，因为它具有约4eV电子伏的高带隙，这阻碍了它在纳米电子学中的应用。之后又提出了硼氮碳这种材料的存在，成为了研究的热点。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的首要目的是提供一种聚丙烯腈基硼碳氮纳米纤维电极材料的制备方法。

本发明的第二个目的是提供上述聚丙烯腈基硼碳氮纳米纤维电极材料。

本发明的第三个目的是提供上述聚丙烯腈基硼碳氮纳米纤维电极材料的应用。

为达到上述首要目的，本发明的解决方案是：

一种聚丙烯腈基硼碳氮纳米纤维电极材料的制备方法，其包括如下步骤：

(1)、称取硼源、碳源和氮源进行处理，得到硼碳氮化物纳米粉末；

(2)、将硼碳氮化物纳米粉末与模板材料在N,N-二甲基甲酰胺中混合，搅拌，得到壳层纺丝液(即壳结构纺丝液)；

(3)、将聚丙烯腈与成孔模板剂混合在溶剂中，得到芯层纺丝液(即核芯结构纺丝液)；

(4)、将壳层纺丝液和芯层纺丝液利用同轴静电纺丝得到电极材料前体；