[发明专利]生物质多孔碳与碳纳米管耦合的自促进储能电极的制备方法

说明书

本发明涉及电能存储领域，公开了一种生物质多孔碳与碳纳米管耦合的自促进储能电极的制备方法。该方法包括：(1)将巴尔沙木沿树木生长的纵向进行切割，得到巴尔沙木片；(2)将巴尔沙木片进行稳定化处理，然后进行碳化，接着进行打磨、清洗和干燥，得到巴尔沙木碳片；(3)将巴尔沙木碳片置于活化剂溶液中浸泡，然后活化、洗涤和干燥；(4)将步骤(3)得到的材料浸泡于Ni(NO₃)₂溶液中，接着进行冷冻干燥；(5)采用化学气相沉积法在步骤(4)得到的材料上原位生长碳纳米管。本发明将生物质多级碳孔结构与碳纳米管耦合提高电极的比电容，通过Fe、Ni逐步参与反应、碳纳米管活性位点逐步释放使电极电容展现出自促进性能。

技术领域

本发明涉及电能存储领域，具体涉及一种生物质多孔碳与碳纳米管耦合的自促进储能电极的制备方法。

背景技术

超级电容器由于其高功率密度、快速充放电和优异的电化学性能，是便携式电子设备、电动汽车和固定式储能设施中最流行的电化学储能装置之一。作为超级电容器的关键部件，电极由多种材料制成，如碳材料、过渡金属氧化物/氢氧化物/硫化物/硒化物/磷酸盐、MXenes、导电聚合物等。

其中，过渡金属化合物可显著提高电容，然而，所制备的电极通常具有较差的循环稳定性。例如，Chang等人发现Mn氧化物电极的比电容在前50次循环中迅速下降，500次循环后仅保留其原始电容的75％。在另一项研究中，Li等人发现NiCo层状双氢氧化物纳米片电极在电流密度为10a/g的前1000个循环中损失了48％的电容。为了解决电容保持率问题，人们致力于通过调整电极的形态和微观结构来提高过渡金属基超级电容器的循环稳定性。采用水热法制备了由纳米片、纳米纤维或纳米管组装而成的二氧化锰微花球。使用纳米片显示出最佳的电荷存储容量和优异的循环稳定性，这得益于在循环试验期间缓冲活性材料体积变化的丰富自由空间，以及内部材料直接暴露于电解液的缩短离子扩散路径。此外，与使用还原石墨烯氧化物组装的单金属和双金属氢氧化物相比，使用非晶态Ni-Co-Mn氢氧化物的电极表现出良好的循环稳定性，尽管在5000次循环后容量仍下降到90.2％。因此，仍然需要稳定超级电容器电极的电化学性能。

碳基电极具有良好的循环性能，这源于电子双层电容(EDLC)的机理。由于大多数商用碳电极都是由石油焦和煤等化石燃料前体制成的，因此价格昂贵且不可再生。碳也可以从生物质碳化中获得，除了理想的多孔结构外，生物质碳化还具有多种优势，包括自然丰度、生态友好的可再生性、多样的选择和成本效益。各种可再生生物质，如木材残渣、茶叶废料、椰子纤维和棕榈树皮，已转化为活性炭，并用作超级电容器的电极。通常，生物质碳材料被磨成粉末，然后与粘合剂混合，形成用于在集电器上涂覆的糊状物。然而，这种制备工艺破坏了生物质的层次结构，引入了非导电聚合物，这将不可避免地增加电荷转移电阻。与碳粉相比，具有原始生物结构的碳板具有更多的离子传输通道和电子传导路径。更重要的是，它可以直接用作电极，无需粘合剂或导电添加剂。

为了进一步改善生物质转化碳电极的电化学性能，可将所得多孔碳与各种金属氧化物/硫化物偶联以增加表面体积比并提供额外的假电容。例如，Makkar等人将MnFe₂O₄空心球和NiS针状物固定在生物质多孔碳上。由于MnFe₂O₄和NiS之间的协同效应，混合电极表现出640F/g的超高比电容。然而，金属氧化物纳米结构在充电和放电过程中经历了较大的体积变化，导致其粉碎并从碳衬底上剥离，导致电容和使用寿命大幅降低。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的超级电容器电极的比电容随着充放电循环次数的增加而衰减的问题，提供一种生物质多孔碳与碳纳米管耦合的自促进储能电极的制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种生物质多孔碳与碳纳米管耦合的自促进储能电极的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将巴尔沙木沿树木生长的纵向进行切割，得到巴尔沙木片；