一种电极材料的制备方法、电极制备方法以及超级电容器与流程

本发明涉及电容器技术领域，特别是涉及一种电极材料的制备方法、电极制备方法以及超级电容器。

背景技术：

近年来，在新能源电动汽车、通讯等领域发展迅速，可大电流充放电的超级电容器越来越普及到人类的生活中。而电极材料作为超级电容器的最主要部分，其性能的优劣对超级电容器领域发展至关重要。目前碳材料是商业化应用最广泛的电极材料，其性能的改善对新能源领域影响巨大。

咖啡属于全球三大无酒精饮料，在全世界出口的商品中占有重要地位，2014年我国咖啡产量为未12.8万吨，大约产生36万吨咖啡渣，咖啡渣的处理方式一般为燃烧法、填埋法，很少对其有进行有效的回收利用，因此研究开发咖啡渣作为碳电极的材料是提高其附加值和利用效率的有效途径。基于咖啡渣是具有石墨类硬碳结构的材料，硬碳材料用作超级电容器电极材料，尤其是衍生于生物质碳的电极材料在近20年来有了比较深入的研究和开发，硬碳材料具有较高的导电性、相对较低的价格以及较好的稳定性等优点，利用咖啡渣制备高比表面的硬碳用作超级电容器电极材料，充分体现了低值转化利用，给咖啡渣开辟出很好利用空间。

但是目前利用咖啡渣制备的电极材料，其高值转化空间不足，硬碳材料的比表面积小，导致超级电容器电极材料比电容小，稳定性差。

鉴于上述技术问题，有必要提供一款新的电极材料的制备方法及其超级电容器，以更好地解决上述技术问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种电极材料的制备方法、电极制备方法以及超级电容器，本发明的电极材料的制备工艺简单，制备容易，制得的电极材料比电容大，稳定性好；本发明的电极制备方法，工艺简单，制备容易；本发明的超级电容器，采用前述的电极材料，储电性能好，其在电解液中具有良好的浸润性，在电流充放电过程中保证了良好的稳定性，使用效果好。

本发明采用的技术方案是：

一种电极材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：称取5～20g干燥好的咖啡渣，置于瓷舟中，接着放入管式炉中，控制温度在350～450℃，通入惰性气氛，保温2～6h，自然冷却得到样品pcg；

步骤二：将步骤一中制得的样品pcg进行破壁粉碎，得到粉末状样品pcg；

步骤三：将步骤二中制得的粉末状样品pcg置于0.5～1m磷酸中，在60～85℃回流2～6h，接着抽滤洗涤至滤液呈中性，随后将沥干的样品pcg直接浸渍氢氧化钾或氯化锌中，持续搅拌2～6h，随后置于干燥箱，在65～105℃下保温12～24h后，研磨得到样品apcg；

步骤四：称取步骤三中制得的样品apcg2～5g，置于瓷舟，然后放入气氛管式炉，通入惰性气体，在800～900℃保温2～6h；

步骤五：将步骤四中气氛管式炉中的样品apcg自然冷却后取出，用盐酸浸泡过夜后，用去离子水抽滤洗涤至滤液呈中性，接着在65～105℃的真空干燥箱中干燥12～24h，制得电极材料。

进一步地，步骤一中，通入的惰性气氛为氩气或氮气。

进一步地，步骤二中采用球磨机进行破壁粉碎，设置球磨机的转速为300r/min，球磨时间为2～6h

进一步地，步骤四中通入的惰性气体为氩气或氮气。

进一步地，步骤三中，选取1～3m的氢氧化钾或25～50ml氯化锌浸渍样品pcg，步骤五中的盐酸选取1～3m或25～50ml。

进一步地，步骤一中制得的样品pcg呈多孔隙结构。

进一步地，步骤五中制得的电极材料呈多孔结构。

一种电极制备方法，将如上所述制得的电极材料，与导电炭黑分别进行充分研磨，制成电极材料粉末和导电炭黑粉末，接着分别称量电极材料粉末、导电炭黑粉末和pvdf粉末备用，移取1～10mln-甲基吡咯烷酮于集样瓶中，加入称量好的pvdf粉末，保持磁力搅拌2～4h，接着加入称量好的电极材料粉末及导电炭黑粉末，继续保持磁力搅拌2～12h，直到形成芝麻糊状浆料，取5～15mg浆料涂布在泡沫镍上，在真空干燥机中，保持65℃～85℃，干燥12～24h，即得电极。

进一步地，硬碳hac粉末、导电炭黑粉末和pvdf粉末按照质量比8：1：1称取。

一种超级电容器，包括有如权利要求上述任一项制备的电极。

本发明的有益效果如下：

1.本发明的电极材料的制备方法，工艺简单，制备容易，该制备方法利用高温预处理进行咖啡渣的物理开孔，去除过多油脂，减少空隙的堵塞，球墨粉碎使得预处理好的咖啡渣更好的与活化剂(磷酸、氢氧化钾/氯化锌)充分接触，达到活化的最佳效果，接着在保护气氛下高温煅烧从而获得高比表面积的硬碳，本发明的电极材料制备方法，利用高温预处理以及双重活化剂活化处理后，在保护气氛下高温煅烧后，是电极材料达到开孔最大化，从而制备出的硬碳电极材料具有丰富的孔隙结构，这为咖啡渣制备的高比表面积硬碳制备成超级电容器电极材料提供强劲的储电性能，并且使得其在电解液中具有良好的浸润性，在电流充放电过程中保证了良好的稳定性，实现了在大电流密度下，仍然保持了较高的电容，并且经过多次的充放电循环后仍然保持较高的初始容量保持率，本发明制备的电极材料在电化学领域中具有好的应用前景。

2.本发明的电极制备方法，制备工艺简单，工艺能耗低，制备的电极具有高比表面积，应用于电化学领域的前景好。

3.本发明的超级电容器，采用上述制备的具有高比表面积的电极材料，其具有100f/g-350f/g的高电容容量，使用稳定性好。

附图说明

图1为本发明实施例1中制备的电极材料的sem图；

图2为本发明实施例2中制备的电极材料的sem图；

图3为本发明实施例3中制备的电极材料的sem图；

图4为本发明制备的电极材料的bet图(图中曲线由上至下，对应实施例1-实施例3)；

图5为发明制备的电极在50mv/s扫速下的循环伏安图；

图6为发明制备的电极在1a/g的电流密度下的充放电曲线；

图7为实施例2中制得的电极在不同电流密度下的充放电曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做近一步详细说明。

实施例一

制备电极材料：

步骤一：称取10g的咖啡渣置于刚玉瓷舟中，接着放入高温管式炉，设定温度为400℃，通入氩气，保温3h，自然冷却降温后，得到pcg；

步骤二：取出步骤一中制得的样品pcg置于球磨机中，设定转速为600r/min，球磨时间为6h，得到粉末状样品pcg；

步骤三：取5g步骤二中制得的粉末状样品pcg，置于回流装置，加入30ml1m磷酸，在85℃下回流3h，自然冷却后用去离子水抽滤洗涤至滤液呈中性，接着将沥干的固体浸渍到30ml1m氢氧化钾中持续搅拌3h后，置于105℃的烘箱中干燥12h，研磨后得到样品apcg；

步骤四：将干燥好的apcg转移至刚玉瓷舟并放入气氛管式炉，通入100ml/min的氩气，设定5℃/min的升温速率，加热至850℃并保温2h，待自然冷却后取出样品hac，加入30ml1m稀盐酸浸泡过夜后，用大量去离子水洗涤过滤至滤液呈中性后，将hac置于85℃的真空干燥箱干燥12h，即得电极材料。

制备电极：

取上面制得的电极材料0.4g，导电炭黑0.05g，分别充分研磨备用，接着取0.05gpvdf于集样瓶中，加入0.5mln-甲基吡咯烷酮并超声分散1h，接着分别加入备用的hac和导电炭黑并持续搅拌2h，得到粘稠的黑色浆料，取适量浆料均匀涂布在泡沫镍上，至于65℃的真空干燥箱，保温12h，自然冷却后取出，得到用于超级电容器的工作电极。

组装超级电容器

取上面制得的电极，组装超级电容器。

实施例二

制备电极材料：

步骤一：咖啡渣预处理，称取10g的咖啡渣置于刚玉瓷舟中，接着放入高温管式炉，设定温度为400℃，通入氩气，保温3h，自然冷却降温后，得到pcg；

步骤二：取出步骤一中制得的样品pcg置于球磨机中，设定转速为600r/min，球磨时间为6h，得到粉末状样品pcg；

步骤三：取5g步骤二中制得的粉末状样品pcg，置于回流装置，加入30ml1m磷酸，在85℃下回流3h，自然冷却后用去离子水抽滤洗涤至滤液呈中性，接着将沥干的固体浸渍到30ml1m氯化锌中持续搅拌3h后，置于105℃的烘箱中干燥12h，研磨后得到样品apcg；

步骤四：将干燥好的apcg转移至刚玉瓷舟并放入气氛管式炉，通入100ml/min的氩气，设定5℃/min的升温速率，加热至850℃并保温2h，待自然冷却后取出样品hac，加入30ml1m稀盐酸浸泡过夜后，用大量去离子水洗涤过滤至滤液呈中性后，将hac置于85℃的真空干燥箱干燥12h，即得电极材料。

制备电极：

取上面制得的电极材料0.4g，导电炭黑0.05g，分别充分研磨备用，接着取0.05gpvdf于集样瓶中，加入0.5mln-甲基吡咯烷酮并超声分散1h，接着分别加入备用的hac和导电炭黑并持续搅拌2h，得到粘稠的黑色浆料，取适量浆料均匀涂布在泡沫镍上，至于65℃的真空干燥箱，保温12h，自然冷却后取出，得到用于超级电容器的工作电极。

组装超级电容器

取上面制得的电极，组装超级电容器。

实施例三

制备电极材料：

步骤一：咖啡渣预处理，称取10g的咖啡渣置于刚玉瓷舟中，接着放入高温管式炉，设定温度为400℃，通入氩气，保温3h，自然冷却降温后，得到pcg；

步骤二：取出步骤一中制得的样品pcg置于球磨机中，设定转速为600r/min，球磨时间为6h，得到粉末状样品pcg；

步骤三：取5g步骤二中制得的粉末状样品pcg，置于回流装置，加入30ml1m磷酸，在85℃下回流3h，自然冷却后用去离子水抽滤洗涤至滤液呈中性，接着将沥干的固体浸渍到30ml2m氢氧化钾中持续搅拌3h后，置于105℃的烘箱中干燥12h，研磨后得到样品apcg；

步骤四：将干燥好的apcg转移至刚玉瓷舟并放入气氛管式炉，通入100ml/min的氩气，设定5℃/min的升温速率，加热至850℃并保温2h，待自然冷却后取出样品hac，加入30ml1m稀盐酸浸泡过夜后，用大量去离子水洗涤过滤至滤液呈中性后，将hac置于85℃的真空干燥箱干燥12h，即得电极材料。

制备电极：

取上面制得的电极材料0.4g，导电炭黑0.05g，分别充分研磨备用，接着取0.05gpvdf于集样瓶中，加入0.5mln-甲基吡咯烷酮并超声分散1h，接着分别加入备用的hac和导电炭黑并持续搅拌2h，得到粘稠的黑色浆料，取适量浆料均匀涂布在泡沫镍上，至于65℃的真空干燥箱，保温12h，自然冷却后取出，得到用于超级电容器的工作电极。

组装超级电容器

取上面制得的电极，组装超级电容器。

对实施例1-3中，制备好的电极材料进行测试，实施例1中制备的电极材料的测试结果可参见图1和图4，实施例2中制备的电极材料的测试结果可参见图2、图4和图7，实施例3中制备的电极材料的测试结果可参见图3和图4，对实施例1-3中制备的电极进行性能测试，测试结果详见图5和图6，通过附图1-4可知，实施例1-3中制备的电极材料，具有更高的比表面积和丰富的空隙结构，参见附图5-6可知，采用本发明制备的电极材料制备的电极，具有强劲的储电性能，并且使得其在电解液中具有良好的浸润性，在电流充放电过程中保证了良好的稳定性，实现了在大电流密度下仍然保持了较高的电容，并且经过多次的充放电循环后仍然保持较高的初始容量保持率，通过以上各测试结果可以得出，本发明制备的具有高比表面积超级电容器电极材料，在电化学领域中具有很好的应用前景。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。