[发明专利]一种多孔复合碳材料及其应用

说明书

技术领域

本发明特别涉及一种多孔复合碳材料及其应用，例如作为超级电容器用材料的应用等。

技术背景

超级电容器(supercapacitor，ultracapacitor)，又叫双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemcial Capacitor，EC)，黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个电容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近，超级电容器通过在电极表面形成电解液离子的双电层结构来存储能量。由于超级电容器在充放电过程中不发生电化学反应，因此其循环次数通常大于100万次。

影响超级电容器性能的因素众多，有电极材料，电解液，集流体，隔膜等，其中电极材料是超级电容器的关键，决定着超级电容器的主要性能指标。超级电容器发展的核心就是其电极材料的发展。现有技术的电极材料有多孔碳材料、贵金属氧化物、高分子导电聚合物和新型复合材料。其中多孔碳材料包括活性炭粉、活性炭纤维、炭气凝胶、碳纳米管。由于碳材料作为超级电容器电极材料的储能机理是基于双电层储能，因而在不提高电极间电压的情况下，电极材料的表面状况是决定电容器容量的关键因素，不仅要求电极材料的比表面积大，而且要有适当的孔径分布。贵金属氧化物材料一般导电性好，电导高，比容量较大，循环寿命长，充放电性能好，且在硫酸中很稳定。但贵金属氧化物电极的工作电压非常有限，而贵金属资源有限、价格昂贵，这些都是限制其大规模应用的主要原因。现有技术应用于超级电容器电极材料的导电聚合物材料主要有聚吡咯、聚噻吩、聚对苯和聚并苯。用导电聚合物作为电化学电容器电极材料，可以用有机电解质和水电解质作为电解液。聚合物电极材料的优点是其能够在较高的电压（3.0-3.2V）下工作，可弥补其他电极材料作为工作电极时工作电压不高的缺点，但由于其相对较弱的导电性，在作为电极材料时往往出现电阻过大的情况。鉴于以上三种电极材料各自所具有的优缺点，寄希望于通过各种材料的复合进行取长补短的新型复合材料应运而生。如掺杂了碳纳米管的导电聚合物、负载了贵金属氧化物的碳纳米管材料，但也还都存在一定的缺陷待解决，例如功率密度较低、寿命较短等问题比较突出。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种多孔复合碳材料，其具有良好导电性能，作为超级电容器电极材料应用时，能有效降低超级电容器内阻，提高超级电容器的功率密度和能量密度，并延长器件的寿命，从而克服现有技术中的不足。

本发明的目的之二在于提供前述多孔复合碳材料在制备超级电容器中的应用。

本发明的目的之三在于提供一种超级电容器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多孔复合碳材料，包含多孔薄层石墨烯和多孔活性炭。

作为较为优选的实施方案之一，所述多孔复合碳材料包含0.01wt%～99.9wt%多孔薄层石墨烯。

作为较为优选的实施方案之一，所述多孔复合碳材料还包含0.01wt%～20wt%导电剂，所述导电剂包含导电炭黑、乙炔黑或碳纳米管。

所述多孔复合碳材料为干粉状或浆料状材料，若为浆状材料，则其中还可包含分散液和/或助剂。

所述多孔薄层石墨烯为1～30层的片状或片状叠层结构，厚度为0.34nm～15nm。

所述多孔薄层石墨烯的比表面积为100m²/g～3000m²/g，并具有孔径为0.1nm～100nm的规则或不规则孔状结构。

所述多孔活性炭比表面积为100m²/g～5000m²/g，孔径分布0.1nm～100nm。

所述多孔复合碳材料是主要由多孔活性炭颗粒与多孔薄层石墨烯粉体通过机械搅拌或超声分散形成的复合体系。

所述分散液可选自但不限于水、乙醇、甲醇、异丙醇和N-甲基吡咯烷酮等等。

所述助剂可选自但不限于羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、LA132等。

如上任一项所述多孔复合碳材料在制备超级电容器中的应用。

一种超级电容器，包括正极和负极，所述正极和负极中的至少一个中包含0wt%～100wt%前述多孔复合碳材料。

所述正极和/或负极包含集流体和/或极耳，所述集流体和/或极耳包含0.1wt%～100wt%多孔复合碳材料。