[发明专利]一种用于超级电容器的纳米偏钛酸掺杂聚苯胺复合电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于超级电容器的纳米偏钛酸掺杂聚苯胺复合电极材料的制备方法，属于超级电容器的电极材料制备领域。

背景技术

超级电容器的性能介于二次锂离子电池和传统电容器之间，其功率密度远高于普通电池(10～100倍)，能量密度远高于传统电容器(＞100倍)，可以在短时间内放出几百至几千安培的电流，非常适合用于短时间高功率输出的场合。

复合材料通常是由两种或两种以上不同物理和化学性质的物质组合而成的多相固体材料。其中各组分虽然保持相对独立性，但性质却不是各个组分性能的简单加和，而是在保持各个组分材料的某些特点的基础上，具有组分间协同作用所产生的综合性能。由于复合材料各组分间的取长补短，充分弥补了单一材料的缺点，产生了单一材料所不具备的新性能。因此，复合材料在超级电容器中的应用可以改善单一电极材料的不足。

近年来，导电聚合物作为一种新型功能高分子发展迅猛，它打破了有机聚合物不能作为导体这一传统观念。所有导电高分子材料中，聚苯胺因其原料廉价易得，合成方法简单，有较好的环境稳定性和优良的光、电特性，已逐渐成为最有前途的导电聚合物之一。导电聚苯胺作为一种性能优异的新型聚合物材料在化学电源和电化学电容器中的应用吸引了大量的研究者，理论比电容值达到750F/g，成为当前的研究热点，被认为是最有希望在实际中得到应用的导电高分子。

虽然导电聚合物材料易于加工制造、比能量高，但它的循环稳定性较差，必须在聚苯胺中掺杂其他循环稳定性较好的材料来提高导电聚合物的综合性能。

纳米材料具有较大的比表面积和较强的界面作用，而纳米复合材料更是表现出不同于一般宏观复合材料的力学、热学、电学、磁学和光学性能，还可能具有原组分不具备的特殊性能和功能。纳米偏钛酸颗粒电化学性质较稳定，可应用于储能器件中。

本发明结合了导电聚合物和纳米材料的特性，采用原位化学聚合法将廉价的工业原料纳米偏钛酸掺杂到聚苯胺中，制备了纳米偏钛酸掺杂聚苯胺复合电极材料，以其为正极，活性炭为负极，组装成混合型的超级电容器，分析其充放电性能和循环稳定性。与单一的聚苯胺电极材料相比，纳米偏钛酸掺杂聚苯胺复合电极材料的比电容更高，在大电流下的充放电性能和循环稳定性更好。因此，纳米偏钛酸掺杂聚苯胺复合电极材料适合发展作为超级电容器的电极材料。

发明内容

本发明的目的是制备出一种复合电极材料，为目前超级电容器导电聚合物电极材料的循环稳定性差的问题提供一种有效的解决方法。本发明工艺简单，成本低廉，易于商业应用。

本发明提出的用于超级电容器的纳米偏钛酸掺杂聚苯胺复合电极材料的制备方法和性能分析通过如下技术方案实现：

1、将苯胺(Ani)与酸一起加到去离子水中配成苯胺的酸溶液。

2、将步骤1的Ani的酸溶液移入到0～5℃冰水浴的三口烧瓶中，在其中加入偏钛酸纳米颗粒(工业原料，制备方法：以工业硫酸氧钛为原料，在100～125℃热水解数小时而得)，形成苯胺-酸-偏钛酸纳米颗粒的固液混合物。

3、将步骤2中的固液混合物在0.2～0.5W/cm²功率下超声0.5～1h，同时对其进行机械搅拌，使偏钛酸纳米颗粒在溶液中分散均匀。

4、向步骤3中得到充分分散的固液混合物中通氮气，以除去三口烧瓶中的空气，避免空气对聚合反应的影响，同时高速搅拌该固液混合物。

5、将引发剂和酸一起加到100ml的去离子水中配成引发剂的酸溶液。

6、将步骤5中引发剂的酸溶液通过滴液漏斗缓慢滴加入步骤4中高速搅拌的固液混合物里，控制滴加速度为10d/min，并保证滴液漏斗中的溶液在3h内滴加结束。

7、将步骤6的整个反应装置放于0～5℃的冰水浴中低温反应一段时间，当滴液漏斗中的引发剂的酸溶液滴加结束后，再保持常温搅拌一段时间，使聚合反应进行完全。

8、抽滤步骤7中的反应产物，先用0.01mol/L的酸洗涤至滤液无色，再用丙酮反复洗涤以除去未反应完全的有机物和低聚物，直至滤液为无色，最后用大量的酒精洗涤。

9、60℃真空干燥步骤8中的洗涤产物，再研磨、200目过筛，最终得到墨绿色粉末为纳米偏钛酸掺杂聚苯胺复合电极材料。

10、以步骤9中的纳米偏钛酸掺杂聚苯胺复合电极材料作为活性材料，加入一定比例的导电剂乙炔黑和粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)。三者的质量比为7～8∶1.5～2.5∶0.5。