[发明专利]一种高活性TiO2纳米管/中间相炭微球复合材料及其制备方法和其应用

说明书

技术领域

本发明属于电极材料领域，具体涉及一种高活性TiO₂纳米管/中间相炭微球复合电极材料及其制备方法和其应用。

背景技术

超级电容器的储能性能介于传统电容器和二次电池之间，具有功率密度高、循环寿命长、能瞬间大电流快速充放电、大倍率充放电性能、工作温度范围宽、安全、无污染等特点，在电动汽车、储存器、微型计算机、航天航空等领域有关广泛的应用前景。

超级电容器主要由电解液和电极材料构成，其中，电极材料成为影响其电化学性能的重要因素。多孔碳材料是碳基超级电容器的核心材料，其储能机制在于电荷储存在电极和电解液界面之间所形成的双电层中，依靠静电荷储存能量。目前，研究较多的碳材料包括活性炭、活性炭纤维、炭气凝胶、碳纳米管等，其中，活性炭的孔结构分布较宽，在一些较小尺度的极微孔中，电解液很难扩散进行形成双电层，使其比表面积的利用率较低。活性炭在水性电解液体系中的比电容在150F/g以下，能量密度小于3Wh/kg。然而，提高碳基材料比表面积的利用率将大大提高其电容量。

为满足各种应用需求，电极材料要求具有较高比表面积、化学稳定性和可控的空隙结构。控制碳材料孔结构的方法包括物理活化法、化学活化法、催化活化法、共混聚合物炭化法、模板法等，其中，模板法是控制碳材料孔结构、尺寸的最有效方法。模板法通过改变模板纳米空间的大小和形状以及结构的有序性，使其中的有机物的炭化过程受到限制，进而控制碳材料的结构，并得到完全规则孔径结构的多孔碳材料。

超级电容器的主要特点是其高功率特性，即大倍率充放电性能。目前，商品化超级电容器的比能量-比功率性能存在提升空间，并限制了其推广应用，究其原因在于，超级电容器采用常规的活性炭作为电极材料，活性炭的孔径窄且弯曲，限制了电解质离子在其内部的扩散迁移，导致大电流充放电时电解质离子来不及在电极表面形成双电层储存电荷，只有少部分较大孔径孔隙得到利用，从而造成电容器的能量密度下降；另一方面，活性炭内部孔隙孔径越小，孔隙内电解液电阻越大，电容器的内阻越大，电容器储存电荷时需要消耗能量克服内阻，导致电容器的充放电效率和能量密度降低。因此，需要优化炭材料和寻找新的大容量、稳定可靠的超级电容器电极材料。

公开了一种大倍率充放电性能超级电容器多孔炭电极的制备方法，包括以下步骤：以微孔型沸石分子筛为模板，以乙炔、甲烷或乙烯为碳源，在石英管反应器中，利用高周波加热装置，进行气相沉积得到富含微孔的多孔炭；多孔炭再经1000-1600℃高温热处理调节表面性质，制得大比表面积多孔炭；大比表面积多孔炭与聚四氟乙烯混合分散到乙醇中，并调制成浆状，均匀地涂覆在泡沫镍片上，再经烘干压制成多孔炭电极。该方法通过周波加热方式可以快速加热反应器，使碳源气体在模板材料中的沉积更均匀、制得的大比表面积炭具有均一的空隙结构；但由于在化学沉积过程中，一定量的氧插入炭的片层结构，使其大电流充放电性能较差。利用第二步高温热处理之后，规则结构多孔炭的微观结构发生改变，表面性质发生钝化（亲水性降低），氧含量降低，显著提高其大倍率充放电性能。该方法制得的多孔炭电极在电压扫描范围为0~-1v、扫描速率增大至500mV/s时，循环伏安曲线仍保持良好的矩形形状；在电流密度达到20A/g时，恒电流充放电曲线仍保持良好的三角形形状，其比电容达到130F/g，功率密度达10kW/Kg。在水系电解质溶液中进行超大电流充放电测试时，在电流密度达到24A/g时，其比电容仍然可达到110F/g，功率密度达12kW/Kg。但是，该方法的反应条件苛刻，操作复杂，并以沸石分子筛为模板，采用强腐蚀性的HF酸洗涤反应后模板，具有操作上的高危险性。