[发明专利]基于碳纤维的高比容量超级电容器电极材料及制备方法

说明书

本发明公开了基于碳纤维的高比容量超级电容器电极材料及制备方法，该发明通过一步简单的焦耳热自活化过程，将碳纤维(CF)进行电化学活化，进而制备出超级电容器电极，该发明的特点是在电极的制备过程中并未在基体纤维上引入其他活性材料，也没有对基体纤维采用传统复杂的活化过程，仅通过在空气中对碳纤维(CF)通电处理的快速自活化就制得了超级电容器电极，该电极制备过程简单，成本低；且电极比电容提高明显，适合大规模制备，此外，碳纤维(CF)的焦耳热属于通电自发热过程，与传统外加热源如用马弗炉加热的方法相比，具有升、降温速度快及保温时间短的特点，大大减少了制备过程的能耗，同时拥有节能和高效的优势。

技术领域

本发明属于能源储存技术领域，尤其涉及其涉及基于碳纤维的高比容量超级电容器电极材料及制备方法。

背景技术

超级电容器(Supercapacitors，SCs)是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型电化学储能装置，一直备受关注且极具应用前景。和传统的电容器相比，它具有较大的比容量。和一般的二次电池相比，SCs具有更高的能量密度，更宽的工作温度范围以及更长的使用寿命。

在现有的研究报道中，为了实现SC体积小、柔韧性好等特点，研究人员一般选用纳米碳材料纤维(如碳纳米管纤维、石墨烯纤维及碳纤维(CF))或金属丝(如镍丝)等作为基体，并对其活化或者负载其他电化学活性物质进而制备出SC电极。有的文献报道了以纳米碳材料纤维作为基体并在上面负载电化学活性更高的纳米碳材料颗粒，例如复旦大学的彭慧胜教授课题组开发了一种以有序MWCNT(多壁碳纳米管)/OMC(有序介孔碳)复合纤维材料作为SC电极(Flexible and weaveable capacitor wire based on a carbonnanocomposite fiber.Advanced Materials.2013；25(41):5965-70)。以制备的MWCNT作为基体并将其浸润OMC分散液，干燥后卷曲成直径为数十微米的纤维，并通过缠绕的方式将两根电极组装成了纤维状SC。这种通过浸泡的方式将OMC负载在MWCNT上，将MWCNT的骨架之间并将其互相连接起来，一定程度上增加了导电通路进而有利于快速的离子传输。但这样的负载方式会导致OMC颗粒分布不均匀且容易脱落，使得组装成的SC均一性和循环稳定性较差。还有的文献报道了以纳米碳材料作为基体，在外包覆一层赝电容电化学活性材料，例如Wei等人通过湿纺技术制备出石墨烯纤维后，之后通过浸泡将聚苯胺(PANI)引入相邻的石墨烯片的间隙中沉积制备出杂化纤维状电极，将两根制备好的杂化电极平行排列，然后覆盖PVA-H₃PO₄凝胶态电解质组装成平行式纤维状SC(Flexible high performance wet-spungraphene fiber supercapacitors.RSC advances.2013；3(46):23957-62)。虽然引入了PANI颗粒可以有效地增加比电容，但是浸泡使得PANI颗粒致密的沉积在石墨烯纤维基体上，使得电解液很难完全浸润到纤维上，导致纤维只充当了集流体的作用，并没有发挥其电化学活性。此外，还有文献报道不引入其他电化学活性物质而通过酸化或辐射等方式对纳米碳材料纤维基体进行活化，以达到增加基体材料自身电容的目的。例如Chen等人通过改进Hummers方法来活化纯碳纤维(CF)，随后使用HI(氢碘酸)/AcOH(醋酸)的混合物对其进行活化，最后将两根活化后的碳纤维(CF)和PVA/H₃PO₄凝胶电解质组装成了全固态纤维状SC(Transforming pristine carbon fiber tows into high performance solid-statefiber supercapacitors.AdvancedMaterials.2015；27(33):4895-901)。经过一系列活化过程，碳纤维(CF)表面或出现脱落的碳片，形成了多孔结构，增大了比表面积，提高了材料的比电容。但是，该活化过程过于复杂，且过程中加入了如HI这样有腐蚀性的化学药品，不仅增大了危险性，还会造成一定的污染，并不适合大规模生产。所以迫切的需要找到一种简单、低能耗且环境有好的一种原位活化的方法来制备SC的电极。

发明内容