[发明专利]一种纳米碳材复合树脂硬碳电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种纳米碳材复合树脂硬碳电极材料的制备方法，包括：制备酚醛混合液；在酚醛混合液中加入纳米碳材的分散水溶液得到分散均匀的混合液；然后加入碱性物质催化剂得到反应液；将反应液在真空下恒温加热得到复合酚醛树脂水凝胶；将复合酚醛树脂水凝胶以冷冻干燥法获得复合酚醛树脂气凝胶；将复合酚醛树脂气凝胶破碎，并低温碳化得到复合树脂碳气凝胶；将复合树脂碳气凝胶高温处理得到复合树脂硬碳材料；将复合树脂硬碳材料、PTFE加以乙醇混合均匀，得到纳米碳材复合树脂硬碳电极材料。本发明以酚醛树脂源硬碳作为活性材料主体，生产成本较低，采用水系反应体系，对环境友好无污染。

技术领域：

本发明涉及电化学材料领域，具体涉及一种纳米碳材复合树脂硬碳电极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

超级电容器是介于传统电容器和蓄电池之间的一种新型储能装置。与传统电容器相比，它具有更大的容量和更高的能量。与蓄电池相比，它具有极高的功率密度，极长的循环寿命，更好的倍率充放电性能以及更宽的工作温度范围。此外，超级电容器绿色环保无污染，免维护。因此，其在交通、电力、通信、国防、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力。超级电容器的性能主要由电极材料决定。因此通过合理的设计能够得到理想的耐低温电极材料，使其能够承受苛刻的温度条件，在低温下稳定储能，实现高储能、长循环寿命。

目前研究最多的电极材料包括金属氧化物，导电聚合物和碳材料，其中金属氧化物的价格高、污染大，导电聚合物的电阻大，而碳材料的性价比高，故而使用率最高。

在电极材料制备过程中，甲阶酚醛树脂固化后表现为三维空间网络交联结构，热解成碳能力强，具有很高的残炭率。同时，酚醛树脂在热解过程中逸出大量小分子，形成多孔结构，可获得较高比表面积的碳材料。酚醛树脂作为原料制备得到的硬碳材料可应用于低温型超级电容器中，但不可逆容量损失较高，循环稳定性有待提高。向酚醛树脂碳材料中掺加石墨烯，能够提高材料的导电性，功率性能有所提高，材料的比表面积有所增大，容量也有所改善，但碳结构本质上并没有发生变化，孔结构脆弱容易坍塌，不可逆容量损失仍较高，循环稳定性仍有待提高。基于此，现有技术仍然有待改进。

发明内容：

针对现有技术的缺乏和不足，本发明提供一种纳米碳材复合树脂硬碳电极材料及其制备方法和应用，通过增强孔结构的稳定性，降低不可逆容量损失，提高循环稳定性，同时增强电极材料的导热性能，可将其应用于低温型超级电容器中。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的，一种纳米碳材复合树脂硬碳电极材料的制备方法，包括如下步骤：

a、将酚类物质A与甲醛水溶液B混合，得到酚醛混合液；

b、在步骤a制备的酚醛混合液中加入纳米碳材的分散水溶液C，混合得到分散均匀的混合液D；

c、在混合液D中加入碱性物质催化剂水溶液E得到反应液F；

d、将反应液F在真空控制下65～100℃恒温加热1～24h，得到复合酚醛树脂水凝胶G；

e、将复合酚醛树脂水凝胶G以去离子水清洗后，再以冷冻干燥法获得复合酚醛树脂气凝胶H；

f、将复合酚醛树脂气凝胶H破碎得到微米级尺寸的颗粒，并在惰性气氛保护下，以加热速度1～20℃/min，在350～650℃低温碳化1～6h得到复合树脂碳气凝胶I；

g、将复合树脂碳气凝胶I在惰性气氛保护下，以加热速度1～20℃/min，在800～1300℃高温处理1～6h，得到复合树脂硬碳材料J；

h、将复合树脂硬碳材料J、PTFE按照质量比95:5的比例加以乙醇混合均匀，得到纳米碳材复合树脂硬碳电极材料K。

优选的，所述酚类物质A为苯酚、甲苯酚、二甲苯酚、间苯二酚、对叔丁基苯酚、丁基苯酚中的一种或多种。