[发明专利]一种聚丙烯腈/聚吡咯高性能复合电极材料的制备方法

说明书

本发明属于超级电容器电极材料制备技术领域，特别涉及一种聚丙烯腈/聚吡咯高性能复合电极材料的制备方法涉及利用一种热诱导相分离法(TIPS)合成聚丙烯腈/聚吡咯(PAN/PPy)复合电极材料的制备方法。该方法利用TIPS技术合成不同形状和孔径的聚丙烯腈/聚吡咯整块体，获得三维分层有序多孔结构，这种具有氮官能团高度润湿性的整体增加了碳材料的表面利用率，利于离子在电解质中的扩散；PAN/PPy的多孔隙结构，增大了碳材料的比表面积，可以吸附更多的氮元素，从而使电极材料更具有优越的氧化还原反应电化学性能，该材料可以成为一种高性能的氮掺杂碳载体作为复合电极材料运用到超级电容器中。

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料制备技术领域，特别涉及一种聚丙烯腈/聚吡咯高性能复合电极材料的制备方法。

背景技术

超级电容器作为一种新型能量电化学存储装置，主要用于主电源断电后提供短期能量的后备电源，具有高功率密度、长循环寿命、稳定性好、操作安全等优势，已形成了可应用于电子行业和新能源行业的储能体系。其容量密度在所有类型的电容器中排名第一，功率密度能够达到可充电电池的10～100倍。因此超级电容器能够弥补电池与传统电容器之间的差距。引起了广大研究人员的兴趣。但超级电容器能量密度远低于同类电池和燃料电池，这一缺陷严重阻碍了它作为一种独立单元进行储能应用，多数需要和电池联用来提供额外需求的能量。电极材料对于超级电容器的电性能起着决定性的作用，因此研制出高比面积、高比电容的电极材料,以提高超级电容器能量密度、减小超级电容器体积是目前研究人员的研究方向。

碳材料作为超级电容器的电极材料之一，由于具有吸附性好、比表面积大、导电性好、成本低、化学性质稳定等优势，可应用于电子产业、生物产业和医学领域，受到了广泛的关注。其中，通过聚合物前体纳米纤维碳化制备的碳材料因其具有多样化的纤维形态、大的比表面积和独特的纤维结构引起了特别关注。同时，为了提高碳材料的特性，通常在碳骨架结构中引入杂原子，这可以改善表面化学性质以优化电容行为。聚丙烯腈是常用的高分子材料，聚丙烯腈在经过氧化、碳化后，可以制备成为具有高强度、可导电的碳纤维，但由于缺乏离子传输所需要的孔结构，导致电极浸润性差，比电容低。三维(3D)梯度多孔碳材料的设计和掺入，特别是新开发的具有互连(大孔和中孔)网络和一体的富含杂原子的碳整体，通过改善电解质和电极材料界面之间的亲水性，以及通过改善电解质在电极材料中较差的离子传输，可以显著提高电化学充放电过程。通过这些方法，有助于在碳源表面形成多孔结构，从而提供较大的比表面积。多孔碳的电子结构的形成，也增加了碳/电解质界面上的电荷吸收和离子扩散能力，从而也促进了能量存储和功率输出。同时该复合材料是一种双功能材料，既可以做电池的电极材料，也可以做催化剂。

聚吡咯是研究和使用较多的一种杂环共轭型导电高分子。聚吡咯具有较高的电导率、较强的电荷贮存能力、可逆的电化学氧化还原特性以及其环境稳定性好，是一种较为理想的电极材料。但其在氮掺杂/脱掺杂的过程中，聚吡咯分子链因收缩/膨胀导致分子链的断裂，造成活性物质的损耗，超级电容器的载能量和寿命的急剧下降，使其在超级电容器电极方向的发展受到限制。聚吡咯可由吡咯单体通过化学氧化法或者电化学方法制得。

TIPS是一种新的制备聚合物微孔膜的方法，是热致相分离法的英文缩写，是Thermally Induced Phase Separation的简称。由1981年由美国A.J.Castro提出。它的工艺过程很简单：从高分子材料的技术温度上，将高聚物置入高沸点、低挥发性的溶剂中(如潜溶剂)，在高温下进行凝聚形成均相溶剂。然后将其装在所需的(如圆盘形，柱状等)介质中，然后降温或冷却。在冷却过程中，整个系统将实现均相分伴随阻燃高聚物的凝聚，从而形成整体状物质。即按照一定的技术温度，在均分相时，若系统中形成的大分子化合物都是连续相，其溶剂即是分散相的二相体系。这时，可以再使用适当的萃取剂将水溶物提取出来，从而获得一定结构形态的大分子化合物或微孔膜。TIPS技术可应用于某些因为在常温下溶解度不够大而不能用常规的溶剂法制得多孔柱状材料的结晶型高分子材料。而通过TIPS技术则可以获得的不同显微性状，包括开孔，半闭孔，各同向性，各异向性，以及非对称性。