[00146481]一种相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料的制备方法

①课题来源与背景 超级电容器是介于传统电容器和电池之间的新型绿色储能元件,具有功率密度大、使用温度范围宽、环境友好等优点,受到了人们的关注。电解液和电极材料是影响超级电容器性能的主要因素。多孔炭是超级电容器的主要电极材料,但其具有颗粒间内阻较大、导电性较差等缺点,需通过添加粘结剂和导电剂来提高多孔炭电极材料的循环稳定性和电导率。本专利介绍了一种相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料的制备方法,所得材料直接作为超级电容器的电极,不需要添加粘结剂和导电剂。 煤沥青,是煤焦油沥青的简称,它是煤焦油蒸馏后的残渣-副产物,具有含碳量较高、富含芳香性碳氢结构单元、价廉易得等优点。本文以煤沥青为碳源,以氢氧化钾为辅助活化剂生成大量的微孔,可以增加超级电器的比容。以二水醋酸锌为模板剂可以产生中/大孔,以提高多孔炭电极材料的速率性能。更为重要的是,我们所得多孔炭纳米片是直接生长在具有三维结构的泡沫镍上,可以避免使用绝缘性的粘结剂和导电炭黑,以缩短离子传输距离,从而提高电极材料的导电性,降低其内阻,最终提高超级电容器用电极材料的容量和速率性能。 本发明以煤沥青为碳源,具有廉价、易得、低灰和富含芳香性碳氢结构单元等优点。采用微波加热,具有加热均匀、快速和节能的优点。以廉价的二水醋酸锌作为模板,可以进一步降低超级电器电极材料的制备成本。文献检索表明,以煤沥青为碳源,以二水醋酸锌作为模板剂辅以氢氧化钾活化法制备相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍电极复合材料这一方法未见报道。 ②技术原理及性能指标 以煤沥青为碳源,通过模板耦合氢氧化钾活化法,采用微波快速加热可以实现相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料的原位制备。其中,泡沫镍一方面作为超级电容器的集流体,另一方面作为三维多孔炭的支撑骨架,可以实现多孔炭与泡沫镍的密切接触,减小电极材料的内阻,并省去以往超级电容器用电极材料所用的导电剂和粘结剂,从而简化超级电容器用电极材料的制备工艺,节约生产成本,并能提高超级电容器用电极材料的容量和速率性能。 ③技术的创造性与先进性 1.碳源煤沥青和模板二水醋酸锌均具有廉价、易得的优点。2.原料是以干混的方式混合均匀之后压入泡沫镍孔隙中,原料处理工艺简单。3.采用微波一步加热直接制备相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料,具有高效、快速、节能的优点。4.本专利省去以往超级电容器电极所用的导电剂和粘结剂,直接以泡沫镍为导电骨架,液化后的煤沥青和三维网状泡沫镍结合充分,减小电极材料的内阻,可以获得高容量和高速率性能的超级电容器电极材料。 ④技术的成熟程度,适用范围和安全性 本发明属于炭材料制备技术领域,具体涉及一种相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料的制备方法。 ⑤应用情况及存在的问题 实施例 相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料C/Ni-1具体制备过程如下： （1）反应物的预处理：将孔径为75目的泡沫镍在0.1 mol/L的NaOH溶液里超声振荡1 h后,用蒸馏水洗涤至中性得碱处理后的泡沫镍;将碱处理后的泡沫镍在0.05 mol/L盐酸中超声振荡1 h后,再用蒸馏水将其洗涤至中性。将洗涤后的泡沫镍在烘箱中于110 ℃干燥24 h后取出,冲成圆片状,称重,在蒽油中浸泡5 min后待用,其中,蒽油的质量与泡沫镍的质量比为3/2。将3 g煤沥青与24 g二水醋酸锌研磨混匀,在管式炉中以5 ℃/min速率升温至150℃,恒温半小时后冷却至室温,研磨后得到混合物A。称取10 g氢氧化钾,与A混合均匀,得到混合物B。将混合物B均匀的压入泡沫镍孔道中,将压好的泡沫镍与剩余的混合物B一起放入刚玉坩埚中,得到反应物C。 （2）相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料的制备：把反应物C放入石英保护罩,以60 mL/min的流量通入氩气10 min将石英保护罩内的空气排除干净,然后在600 W的功率下加热20 min后。自然冷却至室温后,将多孔炭纳米片/泡沫镍取出,放入0.5 mol/L HCl溶液中浸泡12 h,再用蒸馏水洗涤至中性。把洗后的多孔炭/泡沫镍复合材料放入干燥箱于110 ℃干燥24 h后,得到多孔炭/泡沫镍复合电极材料命名为C/Ni-1。 （3）将上述所得C/Ni-1组装成对称的超级电容器,在6 mol/L KOH电解液中,在电流密度为2 A/g或33 mA/cm2时,所得复合材料的质量比容为199 F/g,面积比容为1652 mF/cm2,由此复合材料制备的对称型超级电容器的可用能量密度为6.0 Wh/kg或3.6 mWh/cm2。 ⑥历年获奖情况 ⑦成果简介要向社会公开,请不要填写商业秘密内容