專利名稱：一種多孔炭超級電容器電極材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電化學(xué)和新能源材料領(lǐng)域，特別是提供了一種多孔炭電極材料及其制
備方法。
背景技術(shù)：
隨著信息化社會的不斷擴大和環(huán)境及能源危機的出現(xiàn)，能源儲存與轉(zhuǎn)換效率問題變得越來越重要。在各種能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，超級電容器由于具有充放電速度快、循環(huán)壽命長、相對安全、使用溫度寬、環(huán)境友好和免維護等優(yōu)良特性而被應(yīng)用于備用電源、啟動電源、脈沖電源、電網(wǎng)平衡等領(lǐng)域。大功率的超級電容器對于電動汽車的啟動、加速和上坡行駛具有特別重要的意義；同時也可與鎳氫電池、鋰離子電池、燃料電池聯(lián)用，提高混合電源體系的效率和使用壽命，在汽車啟動和爬坡時快速提供大電流以獲得大功率，在正常行駛時由蓄電池對其充電，大大延長蓄電池的使用壽命，提高電動汽車的實用性；同時具有高功率和高能量的超級電容器器件，可望替代電池的使用。根據(jù)儲能機理的不同，超級電容器可分為雙電層電容器和贗電容器或者氧化還原電容器。雙電層電容器靠電極和電解液界面的雙電層來存儲電荷，其電極材料主要為高比表面積的炭材料。贗電容器靠電極活性物質(zhì)發(fā)生快速可逆的氧化還原反應(yīng)來存儲電荷，對應(yīng)的電極材料有金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物。
對雙電層電容器而言，電容值正比于電極/電解質(zhì)的界面，因此電極的性能受到炭材料表面積的限制，通常來說，對于比表面積為1000m7g的活性炭，其比電容可以達到150F/g[C. Vix-Guterl et al， Carbon 2005，43， 1293.]。多孔炭的電化學(xué)性能取決于比表面積，還與孔徑分布有關(guān)。離子篩分效應(yīng)的存在，使多孔炭存在著最小的有效孔徑。J. S.Ye等[J.S.Y等，Electrochem Commun， 2005， 7 (3) :249-255.]的研究結(jié)果表明，在30% H2S04電解液中，多孔炭的最小有效孔徑為0.8nm。制備多孔炭的方法有很多，模板法、氫氧化鉀活化法以及催化法等。催化法通常是在基體材料中添加金屬或者金屬化合物組分，以增加炭材料內(nèi)部表面活性點。活化時，金屬材料周圍的炭原子優(yōu)先發(fā)生氧化作用，生成二氧化炭，在炭材料中形成孔隙。同時包含有金屬的納米顆粒在炭基體中發(fā)生遷移，從而使微孔擴充為中孔。幾乎所有的金屬對炭都有催化活化作用。各種類型的金屬催化劑，諸如鐵、鎳、鈷、稀土金屬、二氧化鈦、硼、硝酸鹽以及硼酸鹽等都被用于制備多孔炭，其中以過渡金屬對制備多孔炭材料效果最優(yōu)。綜述文獻[A. -H. Lu and F. Schiith， Adv. Mater. 2006，18,1793-1805]報道了多種制備多孔炭的方法。氯化鋅催化活化法是一種通過調(diào)控浸漬比，制備具有不同孔徑分布的多孔炭的有效方法[Khalili N R， Carbon, 2000， 38(14):1905-1915]。趙家昌[趙家昌等.電池.2008,38 :17-20.]等使用氯化鋅為活化劑，葡萄糖為炭源，采用化學(xué)活化法制備介孔炭材料。結(jié)果表明在高浸漬比下可以制得介孔炭材料，在50(TC下活化的活性炭循環(huán)性能比較差，但經(jīng)90(TC高溫處理后，循環(huán)性能得到改善。目前尚無以氯化鋅為模板劑和催化劑、果糖為炭源制備超級電容器電極材料的文獻報道以及專利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種多孔炭超級電容器電極材料及其制備方法，是采用氯化鋅為模板劑和催化劑、果糖為前驅(qū)體而制備，同時提供一種工藝簡單、成本低、適宜于工業(yè)化生產(chǎn)的超級電容器電極材料的制備方法。 —種多孔炭超級電容器電極材料及其制備方法，本發(fā)明多孔炭超級電容器電極材料的制備方法，工藝步驟如下，合成步驟示意圖如圖1所示。 將重量比為50 : 1 1 : 99的果糖和氯化鋅溶于去離子水中，10 30(TC油浴攪拌，然后放到烘箱20 20(TC保溫1 50小時。隨后在氬氣、氮氣或者氦氣保護下煅燒，升溫速率為1 20°C /分鐘，炭化溫度為450°C 120(TC，保溫0. 5 5小時，最后經(jīng)鹽酸和水洗滌至用硝酸銀檢測無氯離子為止，然后干燥得到多孔炭超級電容器電極材料。
多孔炭為粉末狀、孔徑分布在0. 1納米到2微米范圍，比表面積在100m7g到2000m7g范圍。 多孔炭制備工藝簡單、成本低、適宜于工業(yè)化生產(chǎn)。以氯化鋅為催化劑制備多孔炭的炭化溫度低，節(jié)省能源；以多孔炭為電極材料制備的多孔炭孔結(jié)構(gòu)和孔分布適合作為超級電容器的電極材料，使該超級電容器電極材料具有較高的能量密度和功率密度。


圖1多孔炭合成步驟示意圖； 圖2 45(TC炭化得到的多孔炭的掃描電鏡照片； 圖3 45(TC炭化得到的多孔炭在不同電流密度下的比容量曲線； 圖4 45(TC炭化得到的多孔炭在1Ag—1電流密度下的循環(huán)穩(wěn)定性； 圖5 70(TC炭化得到的多孔炭的掃描電鏡照片； 圖6 70(TC炭化得到的多孔炭在不同電流密度下的比容量曲線；
具體實施方式
實施例1 : 將9克果糖和34克氯化鋅溶于35毫升去離子水中，85t:油浴攪拌3小時，然后放到烘箱里12(TC保溫4小時。隨后在氬氣保護下45(TC進行炭化2小時，升溫速率為5°C /分鐘。經(jīng)500毫升鹽酸以及500毫升沸水洗滌，于IO(TC下真空干燥24小時。由此得到的多孔炭的掃描電鏡圖如圖2所示，該多孔炭的粒徑為2-30nm。氮氣吸附解析測試表明，多孔炭的比表面積為1416m7g ;孔體積O. 95cmVg，具有介孔和微孔兩種孔，介孔孔徑為2. 02nm，微孔孔徑為0. 44nm。對該電極材料在1M KOH的電解液中的電容測試表明(圖3)，在0. 1Ag一1的電流密度下，測得多孔炭電極的比容量為248Fg—、在2Ag—1的電流密度下，充放電比電容仍可保持在175Fg—、多孔炭在1Ag—1電流密度下的循環(huán)穩(wěn)定性如圖4所示，循環(huán)330次，比電容損失小于6%。
實施例2: 實施例2與實施例1的區(qū)別之處為炭化溫度不同，其余相同。具體如下 將9克果糖和56克氯化鋅溶于35毫升去離子水中，85t:油浴攪拌3小時，然后放
到烘箱里13(TC保溫1小時。隨后在氬氣保護下70(TC進行炭化3小時，升溫速率為5°C /分鐘。經(jīng)500毫升鹽酸以及500毫升沸水洗滌，于10(TC下真空干燥24小時。由此得到的 多孔炭的掃描電鏡圖如圖4所示，多孔炭粒度大小均勻，形狀規(guī)則，粒徑為2-30nm。氮氣吸 附解析測試表明，多孔炭的比表面積為1323m7g，孔體積2. 04cmVg，具有介孔和微孔兩種 孔，介孔孔徑為3.88nm，微孔孔徑為1. 2nm。對該電極材料在1M KOH的電解液中的電容測 試表明(如圖5所示)在電流密度為1Ag—工時，多孔炭的比電容可以達到226F/g，即使在非 常高的電流密度(5Ag—0時，多孔炭的比電容仍然高達90Fg—、 70(TC炭化得到的多孔炭在 1Ag—1電流密度下的循環(huán)穩(wěn)定性如圖6，循環(huán)330次后，比電容損失小于9%。
實施例3 : 將2克果糖和80克氯化鋅溶于60毫升去離子水中，85t:油浴攪拌3小時，然后放 到烘箱里13(TC保溫5小時。隨后在氬氣保護下75(TC進行炭化2小時，升溫速率為5°C / 分鐘。經(jīng)500毫升鹽酸以及500毫升沸水洗滌，于IO(TC下真空干燥24小時。多孔炭粒度 大小均勻，形狀規(guī)則，粒徑為7-40nm。在電流密度為1Ag-1時，多孔炭的比電容可以達到 210F/g。 實施例4 : 將35克果糖和30克氯化鋅溶于35毫升去離子水中，85。C油浴攪拌3小時，然后放 到烘箱里13(TC保溫3小時。隨后在氬氣保護下80(TC進行炭化2小時，升溫速率為5°C / 分鐘。經(jīng)500毫升鹽酸以及500毫升沸水洗滌，于IO(TC下真空干燥24小時。多孔炭粒度 大小均勻，形狀規(guī)則，粒徑為5-32nm。在電流密度為1A g—1時，多孔炭的比電容可以達到 191F/g。 實施例5 : 將40克果糖和8克氯化鋅溶于30毫升去離子水中，85t:油浴攪拌3小時，然后放 到烘箱里13(TC保溫3小時。隨后在氬氣保護下80(TC進行炭化2小時，升溫速率為5°C / 分鐘。經(jīng)500毫升鹽酸以及500毫升沸水洗滌，于IO(TC下真空干燥24小時。多孔炭形狀 規(guī)則，粒徑為5-35nm。在電流密度為1Ag—1時，多孔炭的比電容為98F/g。
權(quán)利要求
一種多孔炭超級電容器電極材料及其制備方法，其特征在于采用氯化鋅為模板劑和催化劑、果糖作為前驅(qū)體制備，將重量比為50∶1～1∶99的果糖和氯化鋅溶于去離子水中，10～300℃油浴攪拌，然后放到烘箱20～200℃保溫1～50小時；隨后在氬氣、氮氣或者氦氣保護下煅燒，升溫速率為1～20℃/分鐘，炭化溫度為450℃～1200℃，保溫0.5～5小時，最后經(jīng)鹽酸和水洗滌至用硝酸銀檢測無氯離子為止，然后干燥得到多孔炭超級電容器電極材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔炭超級電容器電極材料，其特征在于所述多孔炭為粉 末狀、孔徑分布在0. 1納米到2微米范圍，比表面積在100m7g到2000m7g范圍。
全文摘要
一種多孔炭超級電容器電極材料及其制備方法，屬于電化學(xué)和新能源材料領(lǐng)域。其特征在于采用氯化鋅為模板劑和催化劑、果糖作為前驅(qū)體制備，將重量比為50∶1～1∶99的果糖和氯化鋅溶于去離子水中，10～300℃油浴攪拌，然后放到烘箱20～200℃保溫1～50小時；隨后在氬氣、氮氣或者氦氣保護下煅燒，升溫速率為1～20℃/分鐘，炭化溫度為450℃～1200℃，保溫0.5～5小時，最后經(jīng)鹽酸和水洗滌至用硝酸銀檢測無氯離子為止，然后干燥得到多孔炭超級電容器電極材料。該電極材料制備工藝簡單、成本低、適宜于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號H01G9/058GK101710540SQ20091024330
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月17日
發(fā)明者馮玉川, 王尋, 范麗珍, 陳婷, 韓凌 申請人:北京科技大學(xué)