一種超級(jí)電容器電極材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明的超級(jí)電容器電極材料的制備方法，涉及一種二氧化錳/活性碳纖維復(fù)合材料的制備方法。將高錳酸鉀和活性碳纖維溶于去離子水中，攪拌至均勻；將溶液轉(zhuǎn)移到微波水熱反應(yīng)釜中，在60～120℃下微波水熱30～180min；去離子水洗滌、烘干得到二氧化錳/活性碳纖維復(fù)合材料。本發(fā)明采用了一步微波水熱還原法，降低了反應(yīng)溫度，縮短了合成時(shí)間，并且得到了性能較好的超級(jí)電容器電極材料，經(jīng)組裝成電容器測試，其在5A/g的電流密度下比電容達(dá)到109F/g。
【專利說明】一種超級(jí)電容器電極材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明屬于超級(jí)電容器的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于超級(jí)電容器電極的二氧化錳/活性碳纖維復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著石油、天然氣和煤等不可再生能源的不斷消耗殆盡，世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展受其影響越來越大，我國屬于石油資源相對(duì)匱乏國家，隨著國際石油價(jià)格的不斷攀升，將對(duì)國家的經(jīng)濟(jì)和石油安全帶來嚴(yán)重影響，因此清潔能源的研究和開發(fā)對(duì)國家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的作用。
[0003]超級(jí)電容器最為一種新型的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其具備電極材料豐富、功率密度大、充放電壽命長及安全性能高等特點(diǎn)，受到全世界科學(xué)家和政府部門的廣泛關(guān)注。超級(jí)電容本身具有快速充電的性能，可以用在一些需要快速充電的產(chǎn)品中，比如電動(dòng)車，手電筒等；大電流放電的性能可以使超級(jí)電容用在電動(dòng)工具上，例如汽車啟動(dòng)器等；除此之外它也可以作為靜態(tài)隨機(jī)存貯器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等微小電流供電的后備電源。隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，市場需求量也在逐步提高，因此如何能簡單廉價(jià)的得到大電流下高功率密度的電極材料成為研究關(guān)鍵。
[0004]超級(jí)電容器有兩種被認(rèn)可的儲(chǔ)能機(jī)制。一種是雙電層電容，靠的是把靜電荷吸附在電極材料與電解液的界面來儲(chǔ)能，因此要求電極材料(比如活性炭、活性碳纖維、石墨烯等)具有足夠大的比表面積可以使電解液離子更多的吸附在界面上。另一種儲(chǔ)能機(jī)制就是贗電容，靠的是在活性物質(zhì)(例如RuO2, MnO2, V2O5)上發(fā)生快速且可逆的法拉第反應(yīng)來存儲(chǔ)能量?；钚蕴疾牧暇哂懈弑缺砻娣e以及良好的導(dǎo)電性，但是其在中性電解液中的比電容很小，二氧化錳材料在中性電解液中小電流密度下具有高比電容，但是在大電流密度下的比電容下降嚴(yán)重，所以近來人們把關(guān)注熱點(diǎn)放在了二氧化錳/活性碳復(fù)合材料的制備上，期望得到比電容高，倍率性好的復(fù)合材料。2012年Yongsong Iuo等人發(fā)表在JMC上的文章通過溶劑熱法制備出了二氧化錳與碳纖維的復(fù)合材料，但是其實(shí)驗(yàn)周期較長(ISOmin)，溫度較高(160°C )，且復(fù)合材料在5A/g的電流密度下容量只有58F/g，功率密度低。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]本發(fā)明解決的問題在于利用現(xiàn)有的活性碳纖維材料與高錳酸鉀材料，提供一種步驟少、工藝簡單且有效的二氧化錳/活性碳纖維復(fù)合材料合成方法，達(dá)到了明顯提高材料電化學(xué)性能的目的。
[0006]本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:
[0007]—種超級(jí)電容器電極材料的制備方法，將高錳酸鉀和活性碳纖維按照摩爾比I: 4?34溶于去離子水中，去離子水用量按高錳酸鉀的質(zhì)量濃度計(jì)算為2.6?21.1mg/mL，攪拌至均勻；將浸泡有活性碳纖維的高錳酸鉀溶液轉(zhuǎn)移到微波水熱反應(yīng)釜中，填充50%?90%，微波功率為300W，在60?120°C下微波水熱30?180min ;再用去離子水洗滌、烘干得到二氧化錳/活性碳纖維復(fù)合材料。
[0008]所述的烘干，可以在40?80°C下烘干6?24h。
[0009]優(yōu)選的技術(shù)方案如實(shí)施例3和4，高錳酸鉀和活性碳纖維摩爾比為1: 4.1?4.2 ;在120°C下微波水熱30?180min。在此制備條件下得到的二氧化錳/活性碳纖維復(fù)合材料，組裝成電容器經(jīng)測試，其在5A/g的電流密度下容量為109F/g。
[0010]本發(fā)明以廉價(jià)的活性碳纖維與高錳酸鉀為原材料創(chuàng)新性的采用了一步微波水熱還原法合成二氧化錳/活性碳纖維復(fù)合材料，降低了反應(yīng)溫度(最低60°c )，大大縮短了合成時(shí)間(最短30min)，并且得到了性能較好的超級(jí)電容器電極材料，經(jīng)測試，其在5A/g的電流密度下容量為109F/g,比Yongsong Iuo等人報(bào)道的要高出一倍。由上述可見,本發(fā)明得益于微波水熱，這種創(chuàng)新性的制備方法制備出了二氧化錳/活性碳纖維復(fù)合材料，在降低了反應(yīng)溫度的同時(shí)縮短了反應(yīng)時(shí)間，并且其電化學(xué)性能較好，更利于大規(guī)模應(yīng)用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]為了更清楚地說明本發(fā)明中的技術(shù)方案及其制備出來材料的性能，下面給出相關(guān)圖示。
[0012]圖1為復(fù)合材料制備示意圖。
[0013]圖2為實(shí)施例1復(fù)合材料的XRD圖。
[0014]圖3為實(shí)施例1復(fù)合材料的SEM圖(右側(cè)為放大圖)。
[0015]圖4為實(shí)施例2復(fù)合材料的SEM圖(右側(cè)為放大圖)。
[0016]圖5為實(shí)施例3復(fù)合材料的SEM圖(右側(cè)為放大圖)。
[0017]圖6為比較例I復(fù)合材料的SEM圖(右側(cè)為放大圖)。
[0018]圖7為實(shí)施例3制備復(fù)合材料的CV圖。
[0019]圖8為二氧化錳、活性碳纖維以及實(shí)施例3復(fù)合材料的倍率性圖。
【具體實(shí)施方式】
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[0020]實(shí)施例1:
[0021]取0.079g高錳酸鉀放入30ml去離子水中攪拌至均勻，再將洗凈的活性碳纖維
0.2g加入到高錳酸鉀溶液中攪拌lOmin，然后把混合的溶液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中在微波功率300W、120°C下微波水熱30min，之后洗滌，在60°C下烘干12h即得到了復(fù)合材料。
[0022]活性材料、導(dǎo)電助劑(super P)、粘結(jié)劑(PTFE)按照質(zhì)量比85:10:5混合，搟壓成片，采用三電極法測試電極材料，參比電極為Ag/AgCl，對(duì)電極為鉬片，電解液選為常用的IM的Na2SO4溶液，電壓窗口選為-0.2-0.8V測試循環(huán)伏安和恒流充放電。組裝成電容器測試在50mA/cm2 (ΙΟΑ/g)的電流密下比電容為18F/g。
[0023]從圖2中可以看出，復(fù)合材料的XRD峰位為活性碳纖維與水鈉錳礦型的二氧化錳的復(fù)合，從圖3中可以直觀的看出二氧化錳生長在了活性炭纖維的表面，達(dá)到了復(fù)合的目的。
[0024]實(shí)施例2:
[0025]實(shí)施例2與實(shí)施例1的區(qū)別之處在于加入了 0.316g的高錳酸鉀，其他條件相同，同樣得到了二氧化錳/活性碳纖維復(fù)合材料，組裝成電容器測試在50mA/Cm2(10A/g)的電流密下比電容為24F/g。
[0026]從圖4中的SEM照片可以看出兩種材料的復(fù)合方式為二氧化錳包裹在活性碳纖維上。
[0027]實(shí)施例3:
[0028]實(shí)施例3與實(shí)施例1的區(qū)別之處在于加入了 0.632g的高錳酸鉀，其他條件相同，同樣得到了二氧化錳/活性碳纖維復(fù)合材料。
[0029]從圖5中的SEM照片可以看出兩種材料的復(fù)合方式為二氧化錳包裹在活性碳纖維上，而且包覆的非常均勻。從圖7中的復(fù)合材料的CV曲線中可以看出復(fù)合材料具備良好的電容性，曲線接近于矩形。從圖8的三種材料的倍率性對(duì)比圖中可以看出復(fù)合材料綜合了活性碳纖維的倍率性以及二氧化錳的高容量，小電流下容量適中，大電流下表現(xiàn)優(yōu)異，功率密度有了很大的提高，在50mA/cm2 (10A/g)的大電流密度下，復(fù)合材料的比電容94F/g (在5A/g電流密度下比電容為109F/g)更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了兩種材料(二氧化錳3F/g，活性碳纖維27F/g)，這說明本發(fā)明這種復(fù)合方法，是一種簡單有效的復(fù)合方法。
[0030]實(shí)施例4:
[0031]實(shí)施例4與實(shí)施例3的區(qū)別之處在于微波水熱的時(shí)間提高到了 180min，其他的條件相同，同樣得到了二氧化錳/活性碳纖維復(fù)合材料。組裝成電容器測試在50mA/cm2 (10A/g)的電流密下比電容為95F/g。
[0032]實(shí)施例5:
[0033]實(shí)施例5與實(shí)施例3的區(qū)別之處在于微波水熱的溫度降低到了 90°C和60°C，其他的條件相同，同樣得到了二氧化錳/活性碳纖維復(fù)合材料，組裝成電容器測試在50mA/cm2(10A/g)的電流密下比電容分別為83F/g和80F/g但是微波水熱后的溶液呈紫色，反應(yīng)不完全，浪費(fèi)原材料。
[0034]比較例1:
[0035]比較例I與實(shí)施例3的區(qū)別之處在于加入了 0.1g的活性碳纖維，其他條件相同，同樣得到了二氧化錳/活性碳纖維復(fù)合材料，組裝成電容器測試在50mA/Cm2(10A/g)的電流密下比電容為6F/g。
[0036]圖6為比較例I的SEM照片，從中可以看出，增加二氧化錳的比例，二氧化錳仍以生長在活性炭纖維表面的方式達(dá)到了復(fù)合的效果，但是比電容較低。
【權(quán)利要求】
1.一種超級(jí)電容器電極材料的制備方法，將高錳酸鉀和活性碳纖維按照摩爾比I: 4?34溶于去離子水中，去離子水用量按高錳酸鉀的質(zhì)量濃度計(jì)算為2.6?21.1mg/mL，攪拌至均勻；將浸泡有活性碳纖維的高錳酸鉀溶液轉(zhuǎn)移到微波水熱反應(yīng)釜中，填充度50%?90%，微波功率為300W，在60?120°C下微波水熱30?180min ;再用去離子水洗滌、烘干得到二氧化錳/活性碳纖維復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器電極材料的制備方法，其特征在于，所述的烘干，是在40?80°C下烘干6?24h。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超級(jí)電容器電極材料的制備方法，其特征在于，高錳酸鉀和活性碳纖維摩爾比為1: 4.1?4.2 ;在120°C下微波水熱30?180min。
【文檔編號(hào)】H01G11/30GK104465130SQ201410778402
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月16日
【發(fā)明者】高宇, 王禹, 魏英進(jìn), 趙旭東, 王春忠, 陳崗 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)