[发明专利]一种复合电化学储能炭材料及其制备方法和应用

说明书

一种复合电化学储能炭材料及其制备方法和应用，配制1‑3wt.%纳米纤维素水溶液，室温下搅拌3‑4h，随后在不断搅拌的条件下加入过量的铁盐水溶液，直至析出不溶于水的凝胶；取出上述步骤中的凝胶状物质，用去离子水洗涤，真空干燥；氮气保护下，控制管式炉的升温速率为5℃/min，在炭化温度为600℃‑800℃的条件下对干燥后的凝胶状物质炭化1h，降温到室温后，分别用去离子水和乙醇对炭化物进行洗涤得复合电化学储能材料。

技术领域

本发明属于电化学储能复合炭材料技术领域，具体涉及拉链式合成二维C/Fe₃O⁴复合电化学储能炭材料及其制备方法和应用。

背景技术

作为一种新型的电化学储能材料，超级电容器具有功率密度大、充电时间短、循环寿命长等优点。电极材料是影响超级电容器电化学性能的主要部分，其中碳材料的应用历史最长、商品化程度最高，然而由于它以双电层来储存能量的形式获得的比电容有限，因此制约了碳材料在超级电容器领域的进一步应用。另一种常见的电极材料是过渡金属氧化物，它通过在电极电解液表面或体相的二维或准二维平面发生快速可逆的法拉第反应来储存能量，其能够储存的能量是碳材料的1-100倍，然而过渡金属氧化物普遍存在导电性能差、物理化学性质不稳定等缺点，因此也难以完成大规模的实际应用。以上两种电极材料都拥有自身独特的优势与不足，为了获得更好的电化学效果，针对每种材料自身的不足之处做了大量的研究，然而由于每种材料自身的缺陷难以被完美的解决，所以最终获得的材料并未表现出较好的电化学效果。

为了解决以上问题，研究发现可以将过渡金属氧化物和碳材料有机地结合起来组成复合材料，并最终获得了良好的效果。在这种复合材料中，碳材料的作用主要表现为：作为支撑骨架，可以有效的限制金属氧化物颗粒在电化学过程中的移动；活性炭发达的孔隙结构和巨大的比表面积，则可以优化电解液的传输途径，减小有效串联电阻，并且增大金属氧化物颗粒与电解液的接触面积；良好的导电性，可以提高电子的传输效率。而过渡金属氧化物则可以中分发挥自身的储能作用，成为存储能量的主要来源。这种复合材料可以充分发挥两者自身的优势并且取长补短，最终获得优异的电化学效果。然而这种复合材料在合成和应用过程中仍然存在一定的问题。首先是过渡金属氧化物颗粒的尺寸得不到有效的控制，过渡金属氧化物在碳基体的分布不均匀，造成有效的活性位点数量较少，不能充分发挥过渡金属氧化物的电化学性能；其次是过渡金属氧化物与碳基体之间结合力较弱，造成在电化学操作过程中发生移动甚至团聚，造成电化学性能的不稳定；最后是为了解决以上两个问题，将会导致合成步骤繁琐、条件严苛、成本较高，难以形成产业化。

因此，合理的结构设计、简单绿色的合成方法以及低廉的成本对于碳材料和过渡金属氧化物复合材料具有重要的意义。

发明内容

解决的技术问题：本发明提供一种复合电化学储能炭材料及其制备方法和应用，该方法具有步骤简单、绿色无污染、成本低廉的特点，并且合成的复合材料中Fe₃O₄粒径较小、均匀地镶嵌在炭层中，作为超级电容器电极材料表现出了优异的电化学性能。

技术方案：一种复合电化学储能炭材料的制备方法，包括以下合成步骤：配制1-3wt.％纳米纤维素水溶液，室温下搅拌3-4h，随后在不断搅拌的条件下加入过量的铁盐水溶液，直至析出不溶于水的凝胶；取出上述步骤中的凝胶状物质，用去离子水洗涤，真空干燥；氮气保护下，控制管式炉的升温速率为5℃/min，在炭化温度为600℃-800℃的条件下对干燥后的凝胶状物质炭化1h，降温到室温后，分别用去离子水和乙醇对炭化物进行洗涤得复合电化学储能材料。

优选的，上述纳米纤维素水溶液浓度分别为1wt.％、2wt.％或3wt.％。

优选的，上述铁盐为FeCl₃。

优选的，上述铁盐水溶液的加入量为直到滴加过程中无更多的不溶于水的凝胶析出为止。

优选的，上述真空干燥箱的温度为80℃。