[发明专利]一种酚醛树脂炭/聚噻吩复合材料电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于炭化树脂和导电高分子的复合材料电极制备技术。特别是改性酚醛树脂炭/聚噻吩电极及其制备方法。

背景技术

超级电容器是一种介于电容器与电池之间的新型储能器件，安全环保、无污染、免维护；漏电流小、循环寿命长；可快速充放电、功率密度高。超级电容器已在电动汽车、移动通讯、太阳能和风力发电、航空航天和国防科技等领域获得广泛应用。电极材料是决定超级电容器性能的关键性因素之一，开发具有优异电化学性能的电极材料是当前超级电容器研究中最核心的课题。目前用作超级电容器电极的材料主要有炭材料、金属氧化物及导电聚合物。炭材料是超级电容器电极材料中研究最早和最成熟的一种。其资源丰富，导电性好、储能速度快、性能稳定，但其比电容通常小于 100F/g，且充放电效率较低、自放电现象较严重，易团聚。二氧化钌（RuO₂）导电性比炭电极好，并可以获得更高的比能量，电化学性能优异，但价格昂贵，不利于推广。其它金属氧化物如二氧化锰（MnO₂）、氧化镍（NiO）四氧化三钴（Co₃O₄）等导电性较差，持久循环性较差、电化学窗口窄，通常作为其它材料的添加相。导电聚合物中用作超级电容器电极的主要有聚吡咯 (polypyrrole)、聚苯胺 (polyaniline)、聚噻吩 ( polythiophene)等及其衍生物。它们的优点是储能密度高、比功率高、对环境无污染等，可以采用有机电解质和水溶液电解质作电解液。特别是聚噻吩 (polythiophene)等及其衍生物作为电极时，两个电极均可被掺杂, 电荷储存量大，电导率较高, 电容器内阻小，输出功率大，可以在高工作电压下(3.0-3.2V)使用。被认为是最有发展前景的超级电容器电极材料。其中聚 3,4乙撑二氧噻吩（PEDOT）最受关注。但是，导电聚合物与金属氧化物作为赝电容材料有共同的弊病，其储能较慢、充放电过程中的快速法拉第反应会引起材料相变、体积膨胀及粉化，大大削弱了电极材料的倍率性能和循环性。

因而，将炭材料、金属氧化物以及导电聚合物进行组合，扬长避短，构建性能优异的复合材料成为当前超级电容器电极材料研究的主要方向。专利ZL201010288329.4公开了一种石墨烯与金属氧化物的复合电极材料制备方法；专利ZL201010209772.8公开了一种聚吡咯/石墨烯复合材料的制备方法；专利ZL201210003652.1公开了一种氧化石墨/聚吡咯复合材料的制备方法；专利ZL 200910031025.7公开了一种氧化石墨烯/聚苯胺超级电容器复合电极材料及其制备方法。在目前公开的专利中，制备含导电高分子的电极复合材料时，一般先制备复合材料，再添加粘结剂、导电剂如乙炔黑等形成电极。制备周期较长，且需添加较多辅助成分，材料组分的分散性、相容性等均会在一定程度上影响复合材料性能的发挥。此外，组合材料中石墨烯及其它纳米材料成本高昂，也不利于推广应用。因而开发成本低廉、性能稳定、且不需要添加粘结剂等辅助成分的复合材料电极用于制备超级电容器具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是利用树脂炭及导电高分子各自的优点，克服各自的不足，提出一种制备性能优异的酚醛树脂炭/聚噻吩电极的方法。本发明以改性酚醛树脂为基体，将其炭化获得一种残余蒽醌类结构的多孔树脂炭，再将其与噻吩及其衍生物单体混合，模拟超级电容器加工条件下直接原位受限聚合成超级电容器电极。本发明工艺条件简单、所制备的酚醛树脂炭/聚噻吩电极电导率高、电化学性能好。

本发明制备工艺步骤顺序如下：

（1）将酚醛低聚体与碳化硼在超声状态下或机械搅拌状态下混合10-60min,混合均匀后加热固化形成改性酚醛树脂，固化温度为180℃，升温速率低于15℃/min。酚醛低聚体与碳化硼的混合比例控制在40∶60~95∶5之内。

（2）将改性酚醛树脂在氮气等惰性氛围中或真空条件下于650-850℃处理2h，获得保留有蒽醌结构的树脂多孔炭。

（3）将树脂多孔炭用研磨机粉碎成直径小于200目的粉末。

（4）将多孔炭粉末与噻吩或其衍生物单体混合均匀，并添加一定浓度的FeCl₃溶液与乙醇溶液。混合后模拟在超级电容器加工条件下压制成电极。