[发明专利]具多孔氮化碳夹层材料构型的高能超级电容器及制备方法

说明书

本发明公开了一种具多孔氮化碳夹层材料构型的高能超级电容器及制备方法。正极材料是由一步煅烧法得到g‑C₃N₄/石墨烯为基底，并进一步负载NiS₂，获得多孔层状结构氮化碳/石墨烯/二硫化镍，负极材料为通过溶剂热法制备的三维多孔结构氮化碳/石墨烯。组装成的水系非对称超级电容器工作电压为1.6V，当能量密度为56Wh kg^‑1时，功率密度达到800W kg^‑1，并且循环10000次后容量几乎无衰减。在实现高比能量的同时，保持了超级电容器高比功率的特性，且制备成本低廉，绿色环保，具有很高的实际应用价值。

技术领域

本发明属于非对称超级电容器电极材料的技术领域，具体涉及一种基于多孔氮化碳/石墨烯/二硫化镍和氮化碳/石墨烯的水系非对称超级电容器及制备方法。

背景技术

超级电容器是一种重要的电化学储能装置，因具有充放电速度快、循环寿命长、高的能量密度和功率密度等优势，使其在绿色能源、交通运输、电子信息等众多领域具有广阔的应用前景。根据超级电容器电解液的不同类型，可分为水系和有机系超级电容器。水系超级电容器比有机体系更具安全性，且制备成本低、环境友好。此外，根据超级电容器的结构,还可分为对称型超级电容器和非对称型超级电容器。与对称型超级电容器相比，非对称型超级电容器能够充分利用不同材料的电容存储优势，有效提高超级电容器的工作电压、储电容量以及循环寿命等特征,对于实现超级电容器高效能量存储发挥着重要作用。

在非对称型超级电容器中,负极通常采用多孔碳材料(如活性炭)通过形成界面双电层来储存电能，而正极采用能量密度更高的赝电容电极材料或混合型电极材料。但是活性炭的比电容小于200F/g，在装配非对称电容器时难以与赝电容型正极材料形成匹配，对超级电容器的性能产生了较大限制。相应地，开发掺杂类型(如：N,P,B等)并构筑丰富孔道结构的碳基材料，提高负极材料的电容量，显得尤为重要。基于金属化合物的赝电容型正极材料在水系电解液(碱性)中表现出优良的可逆氧化还原反应特性，具有比电容高、成本低、易合成和低毒性的优点，但是其低的电子迁移率和快速氧化还原过程伴随的体积变化对电极的结构造成不利影响，因而电容性和循环稳定性较差。相应地，获得电容量高、导电性好且结构稳定的正极材料，长期受到广大研究者的关注。除此以外，如何科学合理地将双电层型负极材料和赝电容型正极材料匹配结合，满足实际储能应用对于高能量密度、高功率密度和长使用寿命的要求，一直是非对称超级电容器领域研究的关键点与难点。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于多孔氮化碳/石墨烯/二硫化镍和氮化碳/石墨烯的水系非对称超级电容器及制备方法。正极材料是基于制备的多孔层状结构的氮化碳/石墨烯，并进一步与NiS₂赝电容型材料复合，形成具有异质结构的氮化碳/石墨烯/二硫化镍的复合材料，使该正电极材料具有比容量高，稳定性好的特点。此外，制备的负极材料氮化碳/石墨烯材料具有三维多孔结构，为电子的传输提供快速的导电通道，加速了电化学反应过程，实现高能量存储。所制备的水系非对称超级电容器具备高功率密度和能量密度、长寿命等优点，可以满足未来能源储存设备的实际要求。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于多孔氮化碳/石墨烯/二硫化镍和氮化碳/石墨烯的水系非对称超级电容器的制备方法，所述的水系非对称超级电容器采用多孔层状的氮化碳/石墨烯/二硫化镍为正极材料，多孔结构的氮化碳/石墨烯为负极材料，具体制备步骤如下：

(1)正极材料氮化碳/石墨烯/二硫化镍的制备