[发明专利]一种用于电极的复合材料及其制备方法、制成的电极

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其是涉及一种用于电极的复合材料及其制备方法、制成的电极。

背景技术

超级电容器，又称电化学电容器，是一种介于传统物理电容器和二次电池之间的一种新型储能装置，具有比传统电容器高得多的能量密度和比二次电池大得多的功率密度，集高能量密度、高功率密度、充放电速度快、循环寿命长等特性于一身。电极材料作为超级电容器的核心，决定了超级电容器的整体性能。炭材料、金属氧化物和导电聚合物是最常见的电极材料。其中，炭材料由于具有成本低、比表面积大、孔道结构可控、高电导率、良好的物理化学稳定性以及制备工艺简单等特点，被广泛用作超级电容器的电极材料。比如活性炭、介孔碳、碳凝胶、碳纳米管(CNTs)以及活性炭纤维等。在众多的炭材料中，人们对活性炭的研究最为深入，且活性炭制备工艺简单，易于工业化生产，因此目前商业化的超级电容器电极材料以活性炭为主。活性炭常以煤、沥青、果壳以及高分子聚合物等为前驱体，但煤基活性炭往往灰分较高，不适合作为电极材料，沥青基活性炭则存在制备工艺复杂的缺点。作为世界上最早人工合成的树脂，酚醛树脂不仅生产工艺成熟，价格低廉，而且具有炭化收率高、组分单一、杂质含量低以及易于活化和成孔等特点。因此，酚醛基活性炭作为电极材料具有广阔的应用前景。

双电层电容器的能量主要储存在多孔炭电极的孔壁和液体电解质界面 处电荷分离形成的双电层中。一般认为材料的比表面积越大，比电容越大。但实际情况并非如此，炭材料的比电容值往往远低于其理论值，用于超级电容器时表现出较低的能量密度，这大大限制了炭材料的应用。出现这种情况的原因，一方面是比表面积有很大一部分不能被有效利用，另一方面较高的比表面积往往使得材料的导电性下降，因此在材料的制备过程中不能单纯的追求材料的高比表面积。有研究发现通过对材料进行表面改性或者元素掺杂能大幅度提升电化学性能，这为制备高性能的电极材料提供了很好的思路。比如，活性炭由于具有非常丰富的孔隙结构，使得材料表面结构被破坏，往往存在导电性较差的问题，具有优异导电特性的石墨烯被认为是一种能够有效解决活性炭导电性差问题的材料。但是石墨烯片层之间较强的范德华力使得石墨烯非常容易聚集，使得石墨烯的优势无法发挥出来，依然无法解决比电容低的问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种用于电极的复合材料，所述的复合材料解决了比电容低的问题。

本发明的第二目的在于提供上述用于电极的复合材料的制备方法，所述的制备方法缓解了石墨烯类物质的团聚问题，提高了材料的导电性和比电容。

本发明的第三目的在于提供一种电极，所述的电极比电容高，可作为优异的超级电容器材料。

为了解决以上技术问题，本发明提供了以下技术方案：

一种用于电极的复合材料，所述复合材料主要由氮掺杂的酚醛基活性炭和石墨烯类物质复合而成；所述复合材料的比电容为150F/g以上；

所述石墨烯类物质选自石墨烯及其衍生物、氧化石墨烯及其衍生物、 生物质石墨烯中的一种或多种，优选氧化石墨烯。

本发明发现，在合成酚醛树脂时掺入石墨烯类物质及含氮物质，可以极大增加电容器的比电容，猜测可能的原理为：在电解液中，尤其是在酸性电解液中，含氮官能团和质子发生相互作用产生的赝电容能大大提高材料的比电容，进而提高材料的能量密度；同时，含氮官能团的存在提高了材料的表面润湿性能，降低电解液离子在孔隙中的扩散阻力，从而提高电极材料的比表面积利用率，增加电容器的比电容；此外，在聚合反应之后再加入石墨烯类物质可以缓解其团聚现象，从而提高电极材料的比表面积利用率。

经检测，本发明提供的复合材料在0.1A/g下比电容至少达到150F/g以上，优选地为200F/g以上。

本发明所述的含氮物质既可以是外源性的含氮化合物，也可以是聚合单体本身，例如本身含氮的所述酚类化合物或所述醛类化合物，如果具体单体本身含有氮，则无需再额外加入含氮物质，当然额外加入也可以。

含氮的所述酚类化合物含有伯胺基、仲胺基、季胺基中一种或多种的酚类化合物，优选含有伯胺基的酚类化合物，更优选间氨基苯酚。

外源性的含氮物质可以选自含氮无机物及其它含氮有机物，优选有机胺、硝酸盐中的一种或两种混合，优选乙二胺、三聚氰胺、己二胺、尿素中的一种或多种，优选三聚氰胺。

本发明所述的酚是指任意酚，所述的醛指任意醛，前后聚合可以有效生成酚醛树脂，既可以是热塑性，也可以是热固性。