[发明专利]一种氮氧共掺杂活性碳气凝胶电极材料、固态超级电容器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种氮氧共掺杂活性碳气凝胶电极材料、固态超级电容器及其制备方法。先制备聚苯胺‑海藻酸钠水凝胶，再制备聚苯胺‑海藻酸钠气凝胶，制得的聚苯胺‑海藻酸钠气凝胶混合导电剂和粘结剂涂覆在集流体上，烘干得到超级电容器电极片；本发明还提供的固态超级电容器包括：两个电极片和其间的凝胶聚合物电解质；所述电极片为如上所述方法制备的气凝胶电极材料。本发明制备的全固态超级电容器用海氮氧共掺杂活性碳气凝胶具有高的比表面积、合理的孔径分布、高含量的氮氧掺杂量、有独特的超微孔结构、良好的浸润性、等效串联电阻小，超级电容器电极材料具有超高的比电容、具有很高的能量密度、功率密度以及卓越的库仑效率。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种氮氧共掺杂活性碳气凝胶电极材料、固态超级电容器及其制备方法。

背景技术

目前，化石燃料(石油、煤炭、天然气)仍是世界能源的主要来源。但随着世界人口增长和经济的迅速发展，传统化石燃料不仅面临着日益枯竭，而且其燃烧产生的温室气体引起了严重的环境问题。所以人们迫切的需要制备出绿色、可持续、高效率和低成本的储能材料。

超级电容器，又称电化学电容器，由于具有高的功率密度、超长的循环寿命、快速放电和及安全性能，广泛应用于电动车、电子产品和可再生能源领域。一般来说，超级电容器有两类储能机理，即双电层电容和法拉第赝电容。双电层电容器通过在电极和电解液界面处的电荷积累形成双电层进行储能，常用的有碳材料；而赝电容器通过电极表面的活性物质发生氧化还原反应，从而进行能量的存储，如过渡金属氧化物和导电聚合物。

众所周知，电极材料的电化学性能是影响超级电容器性能的最主要因素。在目前研究的众多电极材料中，碳材料凭借超大的比表面积、廉价的成本以及优异的循环稳定性已经广泛应用于商业的超级电容器。然而，碳材料的比电容比金属氧化物和导电聚合物小很多，这也是碳基超级电容器器件的能量密度很小的原因之一。近些年来，杂原子掺杂碳材料引起了研究者们的广泛关注。碳材料表面的杂原子能够发生氧化还原反应进而产生赝电容，使得碳材料具有双电层电容和赝电容，可极大的提高碳材料的比电容和能量密度。

利用天然的生物质进行杂原子自掺杂，是目前制备可再生碳材料极具有潜力的方法。海藻酸钠是一种天然的海洋生物质，由其分子由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸按(1-4)键连接而成。尽管获得的碳材料比表面积较低，但其丰富的氧物种掺杂产生的赝电容使得该生物质碳材料的比电容得到极大提高。由此可见，海藻酸钠基杂原子掺杂碳材料在电化学能量储存领域展现出极大的应用潜力，为碳电极材料的商业化应用提供了一种选择。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种具有高的比表面积，超微孔结构，含量丰富的氧和氮掺杂以及优异电化学性能的海藻酸钠基活性碳气凝胶超级电容器电极材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种氮氧共掺杂活性碳气凝胶电极材料，按照如下制备步骤制备而得：

S1.制备聚苯胺-海藻酸钠水凝胶：在海藻酸钠溶液中，加入引发剂和苯胺进行苯胺的原位聚合，聚苯胺与海藻酸钠通过氢键作用形成聚苯胺-海藻酸钠水凝胶；

S2.制备氮氧共掺杂活性碳气凝胶：对聚苯胺-海藻酸钠水凝胶进行冷冻干燥、碳化、活化后制得氮氧共掺杂活性碳气凝胶；

S3.制备氮氧共掺杂活性碳气凝胶电极材料：将制得的氮氧共掺杂活性碳气凝胶混合导电剂和粘结剂涂覆在集流体上，烘干得到超级电容器电极片。