[发明专利]采用静电纺丝法制备珠链状PAN基碳纤维电极材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及PAN基碳纤维电极材料的制备方法，特别涉及一种超级电容器用珍珠项链状PAN基碳纤维毡电极材料的制备方法。

背景技术

超级电容器是一种介于蓄电池和传统介电质电容器之间的新型的储能元件，具有高比能量、良好的可逆性和长循环寿命，以其潜在应用于混合型或纯电动汽车为背景而为人瞩目。超级电容器容量的不断提高，对电极材料储电量的要求也越来越高。目前应用于超大容量电容器的电极材料主要有3种：碳基材料、金属氧化物和导电聚合物。碳基材料与金属氧化物和导电聚合物材料相比，化学稳定性好、无污染且成本较低，但其能量储存的机理主要是靠碳表面形成的双电层，因此比电容较低。目前用于双电层电容器的典型的碳材料有：活性碳、碳纳米管和碳气凝胶等。

活性碳纤维是一种新型高效的多功能材料，具有比颗粒活性碳更大的比表面积、良好的孔结构、丰富的表面基团，其化学稳定性也较好，静电纺丝法制备的纤维直径可达纳米级，有效提高了材料的比表面积。通过静电纺丝法制备的PAN纤维可直接在接收板上形成PAN纤维毡，通过预氧化、碳化处理后形成PAN基碳纤维毡。得到的碳纤维毡本身有一定的力学强度，可以直接作为电极使用。制备的碳纤维毡也可以在其表面在涂覆其他活性材料来提高性能。因而在双电层电容器领域得到了广泛的关注。

发明内容

本发明的目的是为了提供采用静电纺丝法制备珠链状PAN基碳纤维电极材料的方法。

采用静电纺丝法制备珠链状PAN基碳纤维电极材料的制备方法，是通过以下步骤实现的：步骤一、将PAN、酚醛树脂微球、DMF配置纺丝液，其中固含量为8％～15％、PAN与酚醛树脂微球的质量比为1∶0.05～2，溶解温度为20～70℃，溶解时间为1～7天；步骤二、采用静电纺丝法制备PAN纤维毡，其中纺丝液流量为0.3～2ml/h，电压为15～30kV，接受距离为10～30cm；步骤三、将步骤二得到的PAN纤维毡在空气气氛下进行预氧化处理，制备PAN基预氧化纤维毡，其中预氧化温度为170～250℃，预氧化时间为2～6h；步骤四、将步骤三得到的PAN基预氧化纤维毡放入管式炉中，在氮气气氛下进行碳化处理，制备珍珠项链状PAN基碳纤维毡电极材料，其中氮气流量为1～4L/min，升温速率为5～10℃/min，碳化温度为700～1000℃，碳化时间为2～6h。

本发明采用静电纺丝法、在纺丝液中加入酚醛树脂微球制备出珠链状PAN基碳纤维毡电极材料，该电极材料具有制备方法简单、连续，纤维的直径、珠链球径比可控(PAN基碳纤维中纤维直径与珠链球径比为1∶1～10)。珠链状结构能提高纤维的比表面积，增加纤维的毡体强度。制备出的珠链状碳纤维的比电容可达(375.8F/g)，毡体强度可达1132.4MPa，比表面积可达837.5m²/g。

附图说明

图1是试验一制备得到的珍珠项链状PAN基碳纤维的扫描电子显微照片。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式中采用静电纺丝法制备珠链状PAN基碳纤维电极材料的方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、在20～70℃温度下，将聚丙烯腈(PAN)、酚醛树脂微球和二甲基甲酰胺(DMF)溶解1～7天，得到纺丝液，纺丝液中固含量为8％～15％、PAN与酚醛树脂微球的质量比为1∶0.05～2；

步骤二、采用静电纺丝法制备PAN纤维毡；

步骤三、将步骤二得到的PAN纤维毡在温度为70～250℃和空气气氛下进行预氧化处理2～6h，制得PAN基预氧化纤维毡；

步骤四、将步骤三得到的PAN基预氧化纤维毡放入管式炉中，以为1～4L/min流量通入氮气，同时以5～10℃/min的速率升温至700～1000℃，保温进行碳化处理2～6h，即获得珍珠项链状PAN基碳纤维毡电极材料。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述酚醛树脂微球的直径为100～5000nm。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述的纺丝液中固含量为12％、PAN与酚醛树脂微球的质量比为1∶1.2。其它步骤和参数与具体实施方式一或二相同。