[发明专利]一种超级电容器用的纳米碳纸及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及本发明涉及一种纳米碳纸及其制备方法，特别涉及超级电容器用的纳米碳纸及其制备方法。

背景技术

能源存储一直是新能源技术发展的瓶颈。特别是由于传统的化学电池其充电速率较慢制约了新能源电力汽车的发展。而超级电容器具有极短的充电时间、极高的输出功率，使用寿命长、温度特性好、能源节约和绿色环保等优点，因此应用于新能源电力汽车可以解决传统化学电池所带来的充电速度慢的问题，主要应用于新能源电力汽车的牵引电源和启动能源等。因此，发展超级电容器受到了世界各国（特别是西方发达国家）的极大关注。

超级电容可分为两种：双电层电容和赝电容。双电层电容是利用电化学双电层进行充放电，充放电过程中无电化学反应，只有双电层内的电荷移动，因此充放电次数通常能达到百万次量级。而赝电容，在充放电过程中，发生了快速的可逆电化学反应，具有更高的能量密度，但是其充放电次数远低于双电层电容器，功率密度也小于双电层电容器。目前，双电层电容器的电极材料主要采用活性碳类碳基材料。而赝电容器电极则多采用以NiO, MnO₂, RuO₂等为代表的金属氧化物以及导电聚合物材料。

双电层电容相对于赝电容由于其寿命长，功率密度高，更加适合应用于大型动力储能领域。而活性碳（AC）由于极高的比表面积（>2000m²/g）, 是目前用的最多的双电层电容的电极材料。但是活性碳电阻率较高，会在充放电过程中损失大量能量。因此一般在超级电容的应用中会将活性碳和其他导电填料混合，再添加粘合剂配成导电浆料，涂在集流体上以增加其导电性。例如发明专利CN102214515A公开了一种将淀粉基活性碳/碳纳米管复合材料与PVDF混合，加入N-甲基吡咯烷酮拌成浆料状，均匀涂覆在泡沫镍上，烘干，压片得到超级电容器电极。然而，采用凃浆的方式制备的超级电容器制备电极存在如下缺陷：1、需要大量粘合剂和金属集流体，而这些物质不是活性物质，增加了电极质量；2、采用凃浆的方式制备的超容电极，透液性不好，溶液扩散较为困难。

制备活性自支撑结构电极可以有效改善电容器电极的导电性，并且减少电容器的重量。例如，发明专利CN102436934A公开了一种在已经制备好的碳纳米管纸上负载MnO₂和石墨烯活性材料，制成自支撑结构的超级电容器电极。又如，发明专利CN103280338A公开了一种在碳纳米管巴基纸上利用电化学脉冲聚合和真空抽滤实现在原有碳纳米纸上包覆一层导电聚合物和热固性树脂，制成超容电极。由于单纯碳纳米管比表面积并不高（<200m²/g）,上述两项专利都是采用在已制备好的碳纳米管纸上，再负载金属氧化物或者导电聚合物的方式来制成赝电容器电极，其制备工艺复杂，难以大规模化，并且赝电容的寿命相对双电层超级电容器较低，功率也较小。

本发明旨在提供一种无需再负载其他物质，而具有高比容量的，制作工艺简单，可直接用来作为双电层电容器电极的纳米碳纸。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种双电层超级电容器电极用的纳米碳纸结构；另一目的在于提供所述纳米碳纸的制备方法。

本发明第一目的是这样实现的， 所述纳米碳纸由一维碳纳米材料和高比表面积的活性碳或者活性碳纤维交联成自支撑纸状材料。

所述一维碳纳米材料包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和碳纳米纤维中的一种或者混合。

所述纳米碳纸中，活性碳或者活性碳纤维均匀分布于一维碳纳米材料中。

所述纳米碳纸可以添加少量聚合物以增加其力学强度。

本发明第二目的是这样实现的，包括制备两种分散液，混合，微交联化，过滤成型，压榨和烘干，具体为：

A1. 制备一维碳纳米材料分散液，

A2. 制备活性碳或活性碳纤维分散液；

B. 混合，将A1和A2过程制备的分散液充分混合；

C. 微交联化；

D. 过滤成型;

E. 压榨与烘干。

所述纳米碳纸制备过程，可在D过程后增加一个施胶步骤，以改变纳米碳纸的亲疏水性和力学强度。

所述混合过程，A1和A2过程制备的分散液混合比例为1:2—2:1(以分散液中分散质干燥状态质量计)。

所述微交联化，为采用交联剂将一维碳纳米材料均匀絮聚在活性碳或者活性碳纤维上，使其均匀分布状态稳定。

有益效果