一种电容器电极材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电化学电容器技术领域，尤其涉及一种电容器电极材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着人们对环境保护的逐渐重视和不断寻求清洁高效的可再生能源利用形式，超级电容器由于兼具了电池和传统电容器的优点，不仅在混合动力汽车等新型能源装置中具有巨大的潜在的应用价值，在通信、航天、国防等方面也发挥着重要的作用，也因此成为广大科研工作者关注和研发的对象。
[0003]电极材料作为超级电容器的关键组成部分，决定了超级电容器基本特性。碳材料因其廉价易得、工作温度范围宽、比重小、比表面积可调、孔隙结构发达、化学稳定性高、生产工艺成熟、对环境友好等优点常常被用于超级电容器电极材料。这种基于碳材料的超级电容器，也称为双电层电容器，具备高功率密度、大电流充放电能力、优异的循环稳定性以及环境友好等优点被广泛的研究。然而这种双电层电容器的能量密度相对较低，并不能够满足实际需求及应用。目前，研究主要集中于提高碳材料的比表面积、调节孔径分布、加入金属氧化物提高赝比电容、或者引入杂原子(包括氮原子、氧原子、磷原子、硼原子)改变碳材料电子分布状态，其目的都是提高电容器的电化学性质。其中提高碳材料比表面积增加双电层电容；调节孔径分布改善电容器的大电流充放电能力；引入氮原子除了在一定程度上改善材料的导电性、润湿性等，主要是增加赝电容储能效应来获得高比电容。因此具有高比表面积的氮掺杂多孔碳纳米纤维材料是一种较理想的提高碳材料电化学性质的方法。
[0004]通常制备高比表面积的氮掺杂多孔碳材料的方法有两种:一种是碳材料在高温下与氨气等含氮小分子物质的共热处理；一种是对含氮大分子聚合物前驱体在高温下的直接热处理。相比于第一种方法，第二种方法通过调节处理温度能够实现均匀的、可控含量的氮元素引入而被大家所关注。目前使用最多的前驱体主要集中于三聚氰胺、聚苯胺、聚吡咯、聚丙烯腈以及生物蛋白等含氮高分子聚合物。目前获得的相关高比表面积的氮掺杂多孔碳材料，要么是微孔结构占主导的碳材料，虽然具有高的比表面积，但是比电容并没有很大程度上的提高；要么涉及到步骤繁琐、过程复杂、条件苛刻以及成本高等问题，限制了其在超级电容器中的而进一步应用。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题在于提供一种高比表面积的氮掺杂多孔碳材料的制备方法，该电极材料制备方法简单。
[0006]一种超级电容器电极材料的制备方法，具体是按照以下步骤制备的:
步骤1:制备浓度为0.15g/ml聚丙烯腈的N，N 二甲基甲酰胺溶液10ml ;
步骤2:将上述溶液进行静电纺丝来获得聚丙烯腈纳米纤维。每次大约把2 ml上述溶液倒入医用注射器中(注:注射器容积为10 ml;注射器针头长为2.5cm;注射器尖端外径为0.7mm)。注射器尖端距收集板的距离为15~20cm，电极电压为10 kV的条件下进行纺丝，从而获得直径约为300 ~400nm的均勾的聚丙稀腈纳米纤维布。
[0007]步骤3:量取30ml去离子水，并将0.5ml浓盐酸和1.4 g无水氯化铁先后放入并搅拌30min。将步骤2获得的聚丙稀腈纳米纤维布(注:lcm*2cm)放入此溶液，并使之充分浸润lOmin。在温度为60摄氏度水浴条件下，向此溶液中滴加苯胺单体溶液，苯胺单体溶液的量优选为0.2ml~0.8ml,更优选为0.4ml，并保持12h。
[0008]步骤4:将步骤3所得到的聚丙烯腈/聚苯胺产物，先后分别用去离子水和无水乙醇洗涤3~5次，然后置于80摄氏度烘箱12h烘干，由此得到制备高比表面积氮掺杂多孔碳材料的前驱体。
[0009]步骤5:将步骤4中所得前驱体置于管式炉中，在惰性气氛中热处理，所述处理的温度优选为800~1000摄氏度，更优选为900摄氏度，升温速率为5摄氏度每分钟从室温升温到优选温度。由此得到超级电容器电极材料，即高比表面积的氮掺杂多孔碳材料。
[0010]利用本发明的超级电容器电极材料的制备方法，制备的高比表面积的氮掺杂多孔碳材料，在1M稀硫酸水溶液中和0.5 A/g的电流密度下其比电容值高达335 F/g，同时具有非常好的大电流充放电能力，即在32 A/g的电流密度下其比电容仍保持175F/g，表现出了良好的超级电容器性能。
[0011]本发明的超级电容器电极材料的制备方法，制备工艺简单、流程短、设备依赖性低、适用于工业化大规模生产。
[0012]本发明的制备方法制得的超级电容器的电极材料，能够用于超级电容器的电极中，得到性能优良的电极，从而提尚该电极材料的超级电容器的性能。
【附图说明】
[0013]附图1为实施例1制备的聚丙烯腈/聚苯胺复合纤维前驱体的扫描电镜照片； 附图2为实施例1制备的高比表面积氮掺杂多孔碳纳米纤维材料的扫描电镜照片； 附图3为实施例1制备的高比表面积氮掺杂多孔碳材料的氮气吸附-脱附等温性曲线
(a)和通过NLDFT计算得到的孔径分布(b);
附图4为实施例1制备的高比表面积氮掺杂多孔碳材料的X射线光电子能谱。
[0014]附图5为实施例1制备的超级电容器电极材料在三电极体系下不同扫描速率下的循环伏安曲线(a)和(b);不同电流密度下的恒流充放电曲线(c)和(d)。
[0015]附图6为实施例1制备的超级电容器电极材料，通过恒流充放电测试，得到的比电容-电流密度曲线图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合代表性的实施例对本发明的超级电容器的电极材料的制备方法进行说明。并且以下实施例中所用的试剂均为市售。
[0017]实施例1
(1)称取1.5g聚丙烯腈高分子溶解到lOmlN，N 二甲基甲酰胺溶液中，搅拌24h至均匀透明。
[0018](2)将步骤(1)中前驱体溶液进行静电纺丝来制备聚丙烯腈纳米纤维。每次大约把2 ml上述溶液倒入医用注射器中(注:注射器容积为10 ml;注射器针头长为2.5c