[发明专利]用于超级电容器的介孔碳/RuO2复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器领域，具体涉及用于超级电容器电极的复合介孔碳基电极材料及制备方法。

背景技术

超级电容器（Supercapacitor）又名电化学电容器、超高电容器，金电容器等，是建立在电化学原理基础上的新型大容量储能器件。超级电容器具有优良的脉冲充放电性能，是过渡电池和传统电容器的混合装置，能有效的提高能量储存和转化效率，比能量是传统电容器的20-200倍，与电池相比具有更高的功率密度。超级电容器在电动汽车、国防武器等应用上有着广阔前景，蕴涵着巨大的商机。

根据电荷的储存机理，超级电容器可分为双电层电容器和法拉第准（赝）电容器。双电层电容器是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量，其通常由具有高比表面积的多孔碳材料组成。赝电容器则是通过电极材料的氧化还原反应来实现电荷的储存及释放,组成电极的材料通常有金属氧化物和导电聚合物两种。

超级电容器的电极材料是决定其性能的关键因素，其中多孔碳材料因廉价易得、具有高的充放电效率和长的循环寿命等优点而研究最为成熟，目前商品化的主要是活性炭材料。活性炭等虽然有高的比表面积，但其多数是由微孔表面产生，离子迁移阻力大，其功率特性和频率响应特性欠佳，其比容量较低（约20-150F/g），限制了超级电容器在许多要求高能量密度领域的应用。与活性炭相比，有序介孔碳除了具有高的比表面积、还具有均一的孔分布、孔径尺寸大和孔道排列高度有序的特点，这种孔道有利于电子传输从而降低了阻抗，因此有序介孔碳表现出高容量和大电流充放电特性。此外，金属氧化物在电极-电解质界面所产生的法拉第准电容要远大于碳材料的双电层电容，金属氧化物电极材料中最为典型的是RuO₂，因其具有高比电容（约700F/g）而倍受研究者的关注，但由于贵金属氧化物作为电极材料，生产成本高且其本身在使用过程中化学稳定性差，其开发应用受到限制。

综上所述，如果能将有高比表面结构可调且稳定的序介孔碳作为载体与高比电容的金属氧化物RuO₂进行复合，将获得到高比容量的、长的循环寿命且价格相对低廉的复合电极材料，这是目前全面提高超级电容器材料性能的新途径。

迄今为止，用软模板法合成结构可控的有序介孔碳，随后用Sol-gel法将RuO₂掺杂到有序介孔碳中得到有序介孔碳/RuO₂复合材料作为超级电容器电极材料的这种制备方法还未见相关文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高比电容的有序介孔碳/RuO₂复合材料，做为超级电容器的电极材料。该复合材料充分发挥了双电层电容和赝电容两者的优点：比容量高、倍率性能好、循环性能好。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于超级电容器的复合介孔碳基电极材料，其由RuO₂掺杂于介孔碳中而制成，其中RuO₂的含量为：3~95wt%。

所述的介孔碳是采用软模板法而合成的有序介孔碳，比表面积为700~1000m²/g，孔径为3~7nm。

所述的RuO₂为水合RuO₂，钌的前驱体为RuCl₃水溶液。

所述的掺杂是采用Sol-gel法进行的。

一种制备用于超级电容器的复合介孔碳基电极材料的方法，具体包括以下步骤：

1、前驱体酚醛树脂的合成：将苯酚在40~60℃下融化，依次加入20 wt%NaOH溶液、37 wt%的甲醛溶液，加热，在60~80℃搅拌1~2h，得到棕黄色溶液，冷却至室温，用HCl溶液把pH调为7。在真空状态下去除水分得到无水酚醛树脂，将其配制成20wt%酚醛树脂乙醇溶液。

2、有序中间体聚合物的组装：将普朗尼克（Pluronic）两亲性嵌段共聚物（F127、F123、F68中的一种或两种）溶于乙醇溶液，然后加入步骤1制得的酚醛树脂乙醇溶液，搅拌得到均匀的溶液，其中两亲性前段共聚物、苯酚、甲醛、乙醇摩尔比为（0.005~0.03）:1:2:（30~70）。将上述溶液转移至培养皿中，在室温下挥发乙醇8~12个小时，产生一个透明薄膜，再将培养皿置于100~130℃烘箱内干燥24个小时，得到有序中间体聚合物。