[发明专利]一种超级电容器用高比表面积富氮分级多孔炭电极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种超级电容器用高比表面积富氮分级多孔炭电极材料的制备方法。以乙二胺四乙酸二钠锌盐作为为碳源，在惰性气体保护下将其于700‑1000°C恒温碳化，再经过酸洗、水洗制备得到。所制备的高比表面积富氮分级多孔炭电极材料兼有高比表面（1500‑2800 m²g^‑1）、发达的分级多孔结构（孔容1.2～3.6 cm³g^‑1）、富含氮元素（氮含量1.8～12.6%），用于超级电容器电极材料具有优异的电容性能和倍率性能。该法方法简单，环境友好，成本较低。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料技术领域，特别涉及了一种超级电容器用高比表面积富氮分级多孔炭电极材料的制备方法。

背景技术

超级电容器又称电化学电容器，是一种性能介于物理电容器和二次电池之间的新型储能元件。超级电容器相对于物理电容器具有更高的能量密度，相对于二次电池具有功率密度高、循环寿命长、充放电速度快，安全环保无污染等优点，在电动汽车、可再生资源发电、移动设备电源和高新技术武器等领域有着广泛的应用前景。

活性炭材料具有较高的比表面、高的导电性、较好的化学稳定性以及资源丰富、价格低廉等特点，成为目前超级电容器应用最广泛的电极材料。富氮炭材料由于在多孔炭的结构中掺杂了一定量的氮原子，用于超级电容器的电极材料不仅可以改善电极与电解液的浸润性，还可产生准电容使多孔炭的比电容大大提高。孔径分布是影响炭材料电容性能的关键因素，微孔炭（孔径<2nm）高的比表面有利于获得大的比电容，介孔炭（孔径2~50nm）发达的介孔结构有利于获得优异的倍率性能，兼有微孔和介孔的分级孔炭材料则能兼顾高比电容和友谊的倍率性能，是超级电容器炭电极材料的发展方向。

目前分级孔炭制备方法主要有双模板法、模板-活化法、生物质材料炭化活化法等。其中模板-活化法得到人们的广泛关注，Xiaojun He 等人以沥青为碳前躯体，三氧化二铁为硬模板，KOH为活化剂制备了表面积761-1330 m²g^-1的分级孔炭材料（J. Mater. Chem.A, 2013, 1, 9440-9448）。Bin Xu 等人以蔗糖为碳源，纳米碳酸钙为硬模板，NaOH为活化剂制备了比表面积2032 m²g^-1的炭材料，在6 mol L^-1KOH 电解液中比电容为245 F g^-1（NewJ. Chem. 2014, 38, 5509-5514）。这些方法虽然可获得分级孔炭材料，但制备工序复杂，成本较高。

富氮多孔炭的制备方法主要有两种。一种是对多孔炭进行高温氨化处理，在其表面引入氮原子。另一种是以含氮高分子聚合物为原料，使多孔炭在制备过程中能保留原料结构中的部分氮原子。专利号为CN 102757034 A的《一种富氮多孔炭材料的制备方法》公开了由乙二胺四乙酸盐（四钠盐、二钠盐、钠镁盐、铁盐、钙盐或锰盐）高温热解、洗涤制备富氮多孔炭的方法，可制备出氮含量1.6～15.5％、比表面积600-2000m²/g、孔容0.3～1.8cm³/g的富氮多孔炭材料，但以这些乙二胺四乙酸盐为碳源制备的炭材料的孔径主要是2 nm以下的微孔不利于提高炭材料在大电流下的倍率性能。例如，以乙二胺四乙酸四钠为碳源裂解制备的炭材料比表面积最高1171 m²g^-1，电流密度0.05 A g^-1时比电容245 F g^-1，电流密度增大到20 A g^-1时，比电容为188 F g^-1（Electrochimica Acta. 2013, 98, 176-182）。