[发明专利]一种超级电容器碳/碳化钛核壳复合球电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳/碳化钛复合电极材料领域，具体涉及一种超级电容器碳/碳化钛核壳复合球电极材料及其制备方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，资源和能源日渐短缺，大力发展可再生清洁能源及其储能器件成为人类社会可持续发展的重大战略选择。近年来，超级电容器取得的一系列成果顺应了人们对新型储能器件的需求。超级电容器具有充电时间短、温度特性好、比功率高、循环寿命好、绿色环保和节约能源等特点，已经在移动通讯、航空航天和电动汽车等领域发挥着重要作用。与锂离子电池相比，超级电容器具有更高的功率密度，但其能量密度偏低。目前碳材料的比电容量偏低(<300F/g)，以其组装的超电容全器件比能量密度一般低于10Wh/kg，只有锂离子电池(120～200Wh/kg)的几十分之一；且纯碳基材料在高倍率条件下能量/功率密度衰减较快，严重阻碍了其工业化应用。与此同时，碳基复合材料的研究表明高导电金属碳化物材料的复合能有效改善碳基材料的高倍率和宽温循环性能，并提高能量密度和工作电压。因此，设计合成高容量高功率的碳/碳化钛电极材料对高性能超级电容器的研制、环境的可持续发展及高性能电极材料的设计开发具有重要意义。

申请公布号为CN104701026A(申请号为201510043121.9)的中国发明专利申请公开了一种碳碳复合电极材料及其制备方法，该材料是一种在石墨烯和碳化物衍生碳之间构成中空结构的石墨烯与碳化物衍生碳的复合材料，该制备方法包括：(1)将粒径为2.6微米的石墨粉(纯度99％)，采用公知的改进的Hummer法制备氧化石墨(GO)，按每毫克GO加入0.5微升水合肼将所得GO用水合肼在80℃下还原2～6小时得到不同还原程度的石墨烯RGO；(2)以粒径约为20nm的碳化钛TiC为反应前躯体，采用高温卤化法，在400℃～1000℃下与氯气反应1小时后获得碳化物衍生碳CDC；(3)分别将所制得的RGO、CDC配成2mg/mL的水溶液，再将配好的RGO溶液和CDC溶液分别在 高功率800W超声震荡仪中超声处理2小时；(4)将RGO溶液与CDC溶液按1:9～9:1的体积比缓慢混合后再超声处理2小时使其复合均匀，并在室温下搅拌24小时，90℃烘干，即获得碳碳复合电极材料。所制备碳碳复合电极材料表现出良好的功率特性和较高的能量密度，比容量可达到220F/g，其性能有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于针对碳基材料较低的比电容，提供了一种超级电容器碳/碳化钛核壳复合球电极材料及其制备方法，该复合材料用作超级电容器电极材料兼具有高功率密度、高能量密度和长循环寿命。

一种超级电容器碳/碳化钛核壳复合球电极材料，包括基底、设置在所述基底上的碳纳米球以及包覆在碳纳米球表面的碳化钛纳米层，所述的碳纳米球的直径100～500nm，所述的碳化钛纳米层的厚度为10～50nm。所述的基底为泡沫镍基底。

所述的超级电容器碳/碳化钛核壳复合球电极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将泡沫镍基底浸入葡萄糖水溶液，进行水热反应，之后将水热产物经洗涤干燥后，进行第一步热处理，制得负载有相互交联的碳纳米球的泡沫镍；

2)将步骤1)制备的负载有相互交联的碳纳米球的泡沫镍，放置于原子层沉积仪中，以四氯化钛和水为反应源，反应温度为100～200℃，原子层沉积周期为80-160周，得到TiO₂包覆层；接着将进行第二步热处理，碳纳米球和TiO₂包覆层经碳热反应形成泡沫镍负载的超级电容器碳/碳化钛核壳复合球电极材料。

以下作为本发明的优选技术方案：

步骤1)中，所述的葡萄糖水溶液的浓度为0.1～1mol/L；

所述的水热反应在密封环境下进行，所述的水热反应的条件为：在180℃～250℃水热反应2～6小时。

所述的第一步热处理在惰性气体的保护下进行，所述的惰性气体为氩气。所述的第一步热处理的条件为：在500～800℃热处理1～3小时。

步骤2)中，所述的第二步热处理在惰性气体的保护下进行，所述的惰性气体为氩气。所述的第二步热处理的条件为：在800～1300℃热处理1～5 小时，形成泡沫镍负载的超级电容器碳/碳化钛核壳复合球电极材料。

所述的超级电容器碳球/碳化钛复合电极材料，碳纳米球表面复合有碳化钛纳米层，所述的碳纳米球直径100～500nm，所述的纳米碳化钛层厚度为10～50nm。根据实际需要，可以调整反应时间、反应浓度和电流密度来控制其碳球大小与碳化钛层厚度。