[发明专利]用于超级电容器的活性碳纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于超级电容器的活性碳纤维的制备方法。

背景技术

超级电容器是一种能量密度和功率密度介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，具有功率密度高、耐大电流、充放电性能好、循环充放电寿命长和工作温度范围宽等优点。目前广泛用于超级电容器的电极材料有多孔炭材料、过渡金属氧化物和导电聚合物材料。活性碳纤维(Activated Carbon Fibers，ACFs)与粉末状的活性炭相比，前者具有更大的比表面积，不仅如此，ACFs还具有材料易加工、密度低等优点，这都有利于提高电化学电容器的性能，也说明ACFs是制备电化学电容器比较理想的电极材料。但是碳材料的电容主要依赖于双电层电容，导致其能量密度偏低，已成为超级电容器进一步发展的瓶颈。过渡金属氧化物作为超级电容器用电极材料具有很高的准法拉第电容，是双电层电容的几十倍左右，因此在能量密度上占有很大优势。但是，过渡金属氧化物材料的导电性低、大电流下的充放电特性和循环稳定性有待进一步提高，这些缺点阻碍了其在电化学领域的实际应用。因此，开发双电层电容和准法拉第电容互补的复合电极材料，有望解决超级电容器电极材料发展的瓶颈问题。

过渡金属氧化物中的二氧化锰被认为是最具吸引力的超级电容器电极材料，因为它具有价格低廉、环境友好和较高的理论比电容。此外，二氧化锰电极材料所用电解液为中性，符合现代绿色环保理念，因此受到了广泛的关注和研究。根据权威数据库检索显示，目前仅有一项清华大学申请的关于利用活性碳纤维负载二氧化锰，用于室温下脱除空气中低浓度NOx的专利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单，具有优异的电化学性能的用于超级电容器的活性碳纤维及其制备方法。

本发明的技术解决方案是：

一种用于超级电容器的活性碳纤维，其特征是：由下列方法制得：

（1）利用浓硫酸对活性碳纤维进行亲水整理；

（2）依次用乙醇、丙酮和去离子水洗净活性碳纤维后干燥；

（3）配置醋酸锰溶液和醋酸铵溶液，再加入二甲亚砜溶液混合均匀，得前驱体溶液；

（4）将步骤（2）中的活性碳纤维浸入前驱体溶液中，用电化学沉积法将二氧化锰纳米材料沉积在活性碳纤维表面；

（5）反应完成后，将产物分别用乙醇、去离子水冲洗后干燥，煅烧，即得产品。

一种用于超级电容器的活性碳纤维的制备方法，其特征是：包括下列步骤：

（1）利用浓硫酸对活性碳纤维进行亲水整理；

（2）依次用乙醇、丙酮和去离子水洗净活性碳纤维后干燥；

（3）配置醋酸锰（Mn(CH₃COO)₂）溶液和醋酸铵（CH₃COONH₄）溶液，再加入二甲亚砜（DMSO）溶液混合均匀，得前驱体溶液；

（4）将步骤（2）中的活性碳纤维浸入前驱体溶液中，用电化学沉积法将二氧化锰（MnO₂）纳米材料沉积在活性碳纤维表面；

（5）反应完成后，将产物分别用乙醇、去离子水冲洗后干燥，煅烧，即得产品。

步骤（1）中的浓硫酸溶液对活性碳纤维整理温度为25-100℃，处理时间为12-24小时。

步骤（2）中的洗涤具体操作为未加机械力、震荡或超声洗涤。

步骤（3）中的Mn(CH₃COO)₂溶液的浓度为0.05~0.2mol/L，CH₃COONH₄溶液的浓度为0.01~0.05 mol/L，体积比为1：0.5-2。

步骤（3）中加入DMSO的体积占前驱体溶液总体积的5~25%。

步骤（4）中的电化学沉积的工艺参数为：沉积电流为 0.5~5 mA/cm²，沉积时间为1~120 min。

步骤（5）中的煅烧温度为150~300℃，时间为1~3小时。

步骤（5）中得到反应得到的MnO2为针状纳米阵列，并呈放射状均匀分布在活性碳纤维表面。

本发明采用电化学沉积技术，通过调配特定的反应溶液，将经过处理的活性碳纤维作为工作电极浸入到反应溶液中，沉积获得电化学性能优异的放射状MnO₂纳米针阵列超级电容器材料。