[发明专利]一种多孔富氮碳纤维电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及功能化材料的生产技术领域，具体涉及一种超级电容器电极材料的制备工艺。

技术背景

超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，具有电容量大、循环寿命长、充放电时间快、功率密度高和维护成本低等优点。随着社会的发展，超级电容器作为新型储能器由于其优越的性能受到研究者们越来越多的重视，在新能源汽车，国防航天、传感器等领域具有广阔的应用前景。电极材料是超级电容器的核心部分，是决定超级电容器性能的关键，因此，制备高性能的电极材料是超级电容器研究的重点。

应用于超级电容器的碳材料受到比表面积，孔结构和表面杂原子官能团的共同影响。一方面，碳材料比表面积大，孔结构丰富，有利于离子的迁移和双电层的形成。但是，单一的增大比表面不一定会对材料的比电容有很大的提高。如专利号为 200510031195.7 的中国发明专利文献公开了一种高比表面积碳材料制备方法及超级电容器制造方法，其采用 KOH 活化法制备出了比表面积高达 2000～3000m²/g 的活性碳材料，但其比电容仅为 84F/g。另一方面，碳材料的表面杂原子官能团的存在会提高材料的导电性和与电解液的浸润性，从而改善材料的电化学性能。活化法是碳材料主要提高比表面积的方法,可制得较高比表面积的碳材料，但材料孔分布不易调控，并且大量的氮元素会在活化的过程过流失，并且活化后需要后处理除去残留的活化剂，操作繁琐，生产成本高。碳材料表面的含氮官能团可以有效调变碳材料的形态、结构和化学性能，以增加碳材料的亲水性和导电性；并且，氮元素在充放电中通过法拉第反应提供赝电容，从而进一步提高碳材料的比电容。

发明内容

本发明的目的是要解决现有方法制备的多孔含氮碳电极材料生产工艺复杂繁琐，掺氮和造孔需要分布进行，且比表面积和氮含量两者不能兼顾，生产成本高的等缺点，提供了一种比表面积较高且氮元素含量丰富的超级电容器材料的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）将聚丙烯腈(PAN)溶解于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，再与聚乙二醇(PEG)、密胺树脂(MF)混合搅拌，取得纺丝液；

2）将纺丝液经高压静电纺丝，取得PEG/MF/PAN复合纤维；

3）将PEG/MF/PAN复合纤维先后经预氧化处理和碳化处理，取得多孔富氮碳纤维；

4）将多孔富氮碳纤维、乙炔黑、聚四氟乙烯和乙醇混合后，经超声处理30min，再烘至糊状，取得混合涂料；

5）将混合涂料涂覆在泡沫镍表面，真空干燥后压片，取得多孔富氮碳纤维电极。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、密胺树脂（MF）氮含量丰富，掺杂方法简单，在热处理过程中氮损失小，解决了现有方法制备的碳材料氮含量小，掺氮工艺复杂繁琐的问题，提高了生产效率。

2、聚乙二醇作为造孔剂，无需后处理，碳化过程中即分解成小分子气体排出。

3、采用聚丙烯腈作为纺丝前驱体，解决了现有聚乙烯醇水溶液纺丝，原丝和碳化后纤维形貌差的问题。

4、本发明工艺简单，一步实现掺氮及造孔。制得的多孔富氮碳纤维具有较高的比表面积，丰富孔结构和高的氮含量。制备的超级电容器电极具有优越的电化学性能。

进一步地，所述纺丝液中，密胺树脂与聚丙烯腈的混合质量比为0.25～1∶1。

所述聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺的混合质量比为9～11∶100。

所述聚乙二醇与聚丙烯晴的混合质量比为25～50∶100。

以上用料比配制的纺丝液黏度适中，便于静电纺丝，且得到的纤维比表面积大，氮含量丰富。

在高压静电纺丝时，环境温度≤40℃，环境湿度≤30%，纺丝电压为16～21kV，推注速度为0.1～0.7mm/min，接收距离为15～20cm。温度和湿度的控制有助于纺丝过程中溶剂的挥发，便于成丝，且该条件下得到的纤维原丝尺寸分布均匀，直径较小。

所述预氧化处理是：将PEG/MF/PAN复合纤维置于空气氛围中，以1～5℃/min的升温速度升温至250℃后保温2h，再以1～5℃/min的降温速度降至常温。纤维原丝在预氧化过程中使得高分子经过环化脱氢作用转化为耐高温的梯形结构，以便在高温碳化下保持原有的纤维形貌。该条件下使得纤维原丝可得到充分的预氧化。