一種相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復(fù)合電極材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于炭材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復(fù)合電極材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超級(jí)電容器是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型綠色儲(chǔ)能元件，具有功率密度大、使用溫度范圍寬、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，受到了人們的關(guān)注。電解液和電極材料是影響超級(jí)電容器性能的主要因素。多孔炭是超級(jí)電容器的主要電極材料，但其具有顆粒間內(nèi)阻較大、導(dǎo)電性較差等缺點(diǎn)，需通過(guò)添加粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑來(lái)提高多孔炭電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和電導(dǎo)率。本專(zhuān)利介紹了一種相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復(fù)合電極材料的制備方法，所得材料直接作為超級(jí)電容器的電極，不需要添加粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑。
[0003]煤瀝青，是煤焦油瀝青的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是煤焦油蒸餾后的殘?jiān)?副產(chǎn)物，具有含碳量較高、富含芳香性碳?xì)浣Y(jié)構(gòu)單元、價(jià)廉易得等優(yōu)點(diǎn)。本文以煤瀝青為碳源，以氫氧化鉀為輔助活化劑生成大量的微孔，可以增加超級(jí)電器的比容。以二水醋酸鋅為模板劑可以產(chǎn)生中/大孔，以提高多孔炭電極材料的速率性能。更為重要的是，我們所得多孔炭納米片是直接生長(zhǎng)在具有三維結(jié)構(gòu)的泡沫鎳上，可以避免使用絕緣性的粘結(jié)劑和導(dǎo)電炭黑，以縮短離子傳輸距離，從而提高電極材料的導(dǎo)電性，降低其內(nèi)阻，最終提高超級(jí)電容器用電極材料的容量和速率性能。
[0004]本發(fā)明以煤瀝青為碳源，具有廉價(jià)、易得、低灰和富含芳香性碳?xì)浣Y(jié)構(gòu)單元等優(yōu)點(diǎn)。采用微波加熱，具有加熱均勻、快速和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。以廉價(jià)的二水醋酸鋅作為模板，可以進(jìn)一步降低超級(jí)電器電極材料的制備成本。文獻(xiàn)檢索表明，以煤瀝青為碳源，以二水醋酸鋅作為模板劑輔以氫氧化鉀活化法制備相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳電極復(fù)合材料這一方法未見(jiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復(fù)合電極材料的制備方法。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的。
[0007]本發(fā)明具體步驟如下:
[0008](I)反應(yīng)物的預(yù)處理:將泡沫鎳洗滌、干燥后，沖成圓片并稱(chēng)重，放在蒽油中浸泡5min后得蒽油浸泡后的泡沫鎳；將一定量的煤瀝青與二水醋酸鋅研磨混勻后在管式爐中加熱，冷卻到室溫、研磨后得到混合物A ;稱(chēng)取一定質(zhì)量的氫氧化鉀研磨并與混合物A混合均勻，得到混合物B ;將混合物B均勻的壓入蒽油浸泡后的泡沫鎳的孔隙中，并將被填充后的泡沫鎳與剩余的混合物B —起放入剛玉坩禍中，得到反應(yīng)物C ；
[0009]其中:二水醋酸鋅的質(zhì)量占泡沫鎳、煤瀝青和二水醋酸鋅三者混合物總質(zhì)量的50%?65%;氫氧化鉀和二水醋酸鋅的質(zhì)量比介于5/12?10/12之間；蒽油和泡沫鎳的質(zhì)量比為3/2 ;
[0010](2)相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復(fù)合電極材料的制備:把反應(yīng)物C放在石英罩內(nèi)，并將石英罩放入微波爐內(nèi)；在流動(dòng)的氬氣氣氛下，采用微波加熱制備多孔炭納米片/泡沫鎳復(fù)合材料；反應(yīng)結(jié)束后，將多孔炭納米片/泡沫鎳取出，放在稀鹽酸溶液中浸泡2h以上，用蒸餾水洗滌至中性，干燥后得多孔炭納米片/泡沫鎳復(fù)合電極材料。
[0011]作為一種優(yōu)化，在步驟(I)中，煤瀝青的質(zhì)量為3g，二水醋酸鋅的質(zhì)量為18g，氫氧化鉀的質(zhì)量為10g，泡沫鎳為0.26g，蒽油的質(zhì)量為0.39g0此時(shí)制備所得復(fù)合材料在6mol/L KOH電解液中，在電流為2A/g或23mA/cm2時(shí)，其質(zhì)量比容為490F/g，面積比容為2846mF/cm2o由復(fù)合材料制備的對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器的可用能量密度為16.6ffh/kg或6.9mWh/cm2。
[0012]本發(fā)明科學(xué)原理:
[0013]以煤瀝青為碳源，通過(guò)模板耦合氫氧化鉀活化法，采用微波快速加熱可以實(shí)現(xiàn)相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復(fù)合電極材料的原位制備。其中，泡沫鎳一方面作為超級(jí)電容器的集流體，另一方面作為三維多孔炭的支撐骨架，可以實(shí)現(xiàn)多孔炭與泡沫鎳的密切接觸，減小電極材料的內(nèi)阻，并省去以往超級(jí)電容器用電極材料所用的導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，從而簡(jiǎn)化超級(jí)電容器用電極材料的制備工藝，節(jié)約生產(chǎn)成本，并能提高超級(jí)電容器用電極材料的容量和速率性能。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0015](I)碳源煤瀝青和模板二水醋酸鋅均具有廉價(jià)、易得的優(yōu)點(diǎn)。
[0016](2)原料是以干混的方式混合均勻之后壓入泡沫鎳孔隙中，原料處理工藝簡(jiǎn)單。
[0017](3)采用微波一步加熱直接制備相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復(fù)合電極材料，具有高效、快速、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。
[0018](4)本專(zhuān)利省去以往超級(jí)電容器電極所用的導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，直接以泡沫鎳為導(dǎo)電骨架，液化后的煤瀝青和三維網(wǎng)狀泡沫鎳結(jié)合充分，減小電極材料的內(nèi)阻，可以獲得高容量和高速率性能的超級(jí)電容器電極材料。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1、2、3、4制備相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復(fù)合電極材料時(shí)微波升溫曲線(xiàn)。
[0020]圖2是本發(fā)明實(shí)施例3所用相互連接的泡沫鎳的電鏡照片。
[0021]圖3是本發(fā)明實(shí)施例3所得相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復(fù)合電極材料的電鏡照片。
[0022]圖4是本發(fā)明實(shí)施例3所得相互連接的多孔炭納米片的電鏡照片。
[0023]圖5是本發(fā)明實(shí)施例1、2、3、4制備的相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復(fù)合電極材料的面積比容隨電流密度的變化圖。
[0024]圖6是本發(fā)明實(shí)施例1、2、3、4制備的相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復(fù)合電極材料的面積能量密度隨功率密度的變化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下結(jié)合具體實(shí)施例詳述本發(fā)明，但本發(fā)明不局限于下述實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解成事例性的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明精神和范圍的基礎(chǔ)上進(jìn)行改變和修改，所有這些改變和修改包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。
[0026]實(shí)施例1
[0027]相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復(fù)合電極材料C/N1-Ι具體制備過(guò)程如下:
[0028](I)反應(yīng)物的預(yù)處理:將孔徑為75目的泡沫鎳在0.lmol/L的NaOH溶液里超聲振蕩Ih后，用蒸餾水洗滌至中性得堿處理后的泡沫鎳；將堿處理后的泡沫鎳