[发明专利]一种超级电容器用氮掺杂低温碳纳米纤维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氮掺杂低温碳纳米纤维电极材料的制备方法，首先采用CVD法制备低温碳纳米纤维（CNF），然后对其表面进行高温活化，再使用含氮有机物对其进行氮掺杂和酸化处理，得到所述电极材料。该电极材料中低温碳纳米纤维具有发达的微孔和介孔结构，可以吸附大量的电解液离子，具有高比容量，并且碳纤维材料表面掺杂的含氮官能团，提高材料润湿性，增大比表面积的利用率，而且还改变局部电荷密度，提高导电性，含氮官能团也可以进行氧化还原反应，产生赝电容，进一步提高电容性能。本发明电极材料具有高比容量，极佳的倍率性能和循环稳定性，合成工艺简单易操作，无需静电纺丝，成本低廉，产率高，在超级电容中具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于超级电容技术领域，具体涉及一种超级电容器用氮掺杂低温碳纳米纤维电极材料的制备方法。

背景技术

由于石油等不可再生能源日益短缺，并且燃烧石油产生的尾气对环境污染日趋严重。世界各国研究者均在寻找清洁能源和更加有效利用能源的新型能源装置。超级电容器作为新型的储能装置，具有比容量大、功率密度高、循环寿命长、操作温度宽以及环境友好等特点，广泛应用在电子、能源、运输、航空航天与国防领域，已成为全球研究者关注的热点。

与传统电池相比，超级电容器功率密度高，但能量密度低，对于发展高能量密度、低成本的电极材料及其更好的应用在超级电容器中仍然是一个挑战。如何提高能量密度特性已成为焦点。由E=1/2CV²可知，提高电容器的能量密度可以从提高电极材料的电容(C)着手，因此要求电极材料作进一步的研究和开发。碳材料具有高比表面积、可控的孔隙结构、高导电和导热性等特点，而且活性炭制备工艺简单、原料来源广泛易，其在电化学储能、吸附和催化等领域有着广泛应用。

目前主要通过增加活性炭的比表面积以达到提高其电容的目的。如发明专利CN201510004277.6公开了一种多孔炭的制备方法，以聚羧酸和二元胺或乙酸酐和二元胺作为反应物，在金属盐溶液中反应形成三维网状预聚物，经热处理，得到多孔炭，制得的多孔炭的比表面积为300~450平方米/克，电流密度0.1A/g时，比电容仅为189F/g，电化学性能不佳，这主要是由于虽然多孔碳的比表面积较大，但其贡献较大的是孔径过小的超细微孔，而电容器主要依靠电解质离子进入活性炭的孔隙形成双电层来存储电荷，而电解质离子难以进入超细微孔，这些微孔对应的表面积就成为无效表面积，所以导致比电容较低。

碳纳米纤维拥有良好的物理性能和化学性能，比如具有较大的比表面积、较高的机械强度和杨氏模量，而且其导电导热性能可以和石墨相提并论，在柔性可穿戴的储能器件中有着巨大的应用前景。如发明专利CN201910010104.3公开了一种自支撑柔性超级电容器电极材料及制备方法，首先制备聚磷腈和聚合物的混合溶液，然后将混合溶液通过静电纺丝方法制备聚合物/聚磷腈纳米纤维膜，得到的聚合物/聚磷腈纳米纤维膜通过高温碳化和氢氧化钾活化过程，得到氮磷掺杂的自支撑柔性碳纳米纤维膜，比电容可达176F/g；Angew Chem.Int.Ed.,2012,51,5101-5105公开以Te纳米线为模版，在葡萄糖溶液中180℃进行水热反应得到碳纳米纤维，其中Te纳米线模版后期需要刻蚀去除,碳纳米纤维组装为超级电容器电极材料时，在1A/g电流密度下其比容量有202F/g；J.Mater.Chem.A,2013,1,9449-9455公开，以酚醛树脂为前驱体，SiO₂为硬模版水热合成了介孔碳纳米纤维，在0.5Ag电流密度下其比容量有276F/g。但上述方法合成过程复杂，耗能大，成本高，不适合大范围推广，另外作为超级电容器电极材料时比容量不高，电容器能量密度低，因此限制了其实际的应用。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种超级电容器用氮掺杂低温碳纳米纤维电极材料的制备方法，解决现有电极材料存在比电容量低，电容器能量密度低以及合成过程复杂，耗能大，成本高的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超级电容器用氮掺杂低温碳纳米纤维电极材料的制备方法，包括以下步骤：