一种利用针状焦基炭材料制备超级电容器电极材料的方法转让专利
申请号 : CN201911388000.2
文献号 : CN111029167B
文献日 : 2021-07-09
发明人 : 陈星星 , 卢振杰 , 程俊霞 , 黄新宁 , 潘浩然
申请人 : 辽宁科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种利用针状焦基炭材料制备超级电容器电极材料的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)将针状焦研磨到200目以上,研磨后的针状焦放入小烧杯中,加入乙醇和水混合溶液,乙醇和水体积比为3:1~1:3,针状焦与乙醇和水混合溶液的质量比控制在1:100‑1:10;
所述的针状焦为煤工业过程中生产的煤系针状焦;
2)再称取针状焦质量1‑5倍的碱,缓慢加入到混合溶液中,搅拌器以100~500r/min的转速搅拌24小时以上,然后干燥;
3)混合物放在管式炉中间加热区域,在惰性气体和氢气混合气氛下进行热处理;
热处理过程分为两个恒温阶段:
第一阶段,管式炉以5~15℃/min的升温速率升高到350~450℃,保持1~3小时;
第二阶段,管式炉以5~15℃/min的升温速率升高到600~950℃,保持1~3小时;
取出,即得到多孔结构的针状焦基炭材料;
4)将多孔结构的针状焦基炭材料与金属盐溶于水,充分搅拌,放入反应釜中,120~150℃水热反应4~10小时,取出样品过滤干燥,即制得金属调控孔结构的针状焦基炭材料;所述的金属盐为过渡金属盐,过渡金属为钴、铁、锰、镍的一种以上,盐类为醋酸盐、氯化盐、硫酸盐、硝酸盐中的一种以上;
5)以得到的金属调控孔结构的针状焦基炭材料为电极材料,在室温大气条件下制作水系超级电容器电极。
2.根据权利要求1所述的一种利用针状焦基炭材料制备超级电容器电极材料的方法,其特征在于,步骤5)具体包括以下步骤:
1)以泡沫镍为集流体,切出圆片;以电解纸为电池隔膜纸,切出圆片;与此同时,将金属调控孔结构的针状焦基炭材料与导电剂、粘结剂混合成浆料,浆料均匀的涂抹在泡沫镍圆片上,使用压片机施加5~15MPa的压力压制成电极片;
2)将电极片放在纽扣电池壳中间,滴加氢氧化钾或氢氧化钠溶液,装好电池后使用电池封口机以5~15MPa的压力封装电池。
3.根据权利要求1所述的一种利用针状焦基炭材料制备超级电容器电极材料的方法,其特征在于,所述的惰性气体为氩气、氦气或氮气。
4.根据权利要求1所述的一种利用针状焦基炭材料制备超级电容器电极材料的方法,其特征在于,所述的惰性气体和氢气的体积比为20:1~2:1。
5.根据权利要求1所述的一种利用针状焦基炭材料制备超级电容器电极材料的方法,其特征在于,所述的碱为第一、第二主族元素碱。
6.根据权利要求1所述的一种利用针状焦基炭材料制备超级电容器电极材料的方法,其特征在于,步骤4)所述的金属盐添加量为金属盐中的金属元素与样品的质量比控制在
0.5%~5%。
7.根据权利要求2所述的一种利用针状焦基炭材料制备超级电容器电极材料的方法,其特征在于,所述的金属调控孔结构的针状焦基炭材料与导电剂、粘结剂混合物中,导电剂为乙炔黑或炭黑,粘结剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯;针状焦基炭材料与其他二者总量的质量比为3:1~6:1,导电剂和粘结剂的质量比为2:1~1:2。
说明书 :
一种利用针状焦基炭材料制备超级电容器电极材料的方法
技术领域
背景技术
用的方兴未艾,超级电容器的开发需求日益迫切。因为现有科研水平还是集中于基础研究
阶段,众多科研成果很难工业化生产,这主要是由于材料生产工艺复杂,原材料成本高等因
素造成。碳元素在自然界中储量丰富,碳材料是制作双电层超级电容器最佳材料。我国煤炭
资源丰富,在各种各样的碳材料中,煤系针状焦是可以在工业上大规模生产的,而且相对于
石墨烯等高级别碳材料,价格非常低,因此针状焦是一种极具工业化价值的超级电容器电
极材料。
发明内容
加值全新利用方式。
10;
料。
沫镍圆片上,使用压片机施加5~15MPa的压力压制成电极片;
量比为3:1~6:1,导电剂和粘结剂的质量比为2:1~1:2。
容器的电极材料制备。
稳定性,库伦效率等。
碳结构,进而辅助造孔。相比于仅采用惰性气体在碱性条件下热处理,可进一步提升孔隙率
和超级电容性能。采用步骤4)与过渡金属混合,经水热反应,可以进一步催化分解不稳定
碳,调控孔结构。清洗过后的样品保有纯双电层电容性能,与赝电容比较,拥有良好的倍率
性能及循环稳定性。
附图说明
具体实施方式
醇和水混合溶液的质量比控制在1:100‑1:10;针状焦为煤工业过程中生产的煤系针状焦。
积比为20:1~2:1。
状焦基炭材料。最后对材料进行超级电容性能的测试与表征。
比控制在0.5%~5%。
材料与导电剂、粘结剂混合成浆料,浆料均匀的涂抹在泡沫镍上,使用压片机施加5~15MPa
的压力压制成电极片;其中,导电剂为乙炔黑或炭黑,粘结剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。
测实际产品电池性能。
钾缓慢加入,使用磁力搅拌器以400r/min的转速搅拌24小时,然后干燥,混合物放在管式炉
中间加热区域在氩气和氢气混合气氛(体积比为9:1)下进行热处理。热处理过程分为两个
恒温阶段:第一阶段,管式炉以10℃/min的升温速率升高到400℃保持2小时,第二阶段,管
式炉以10℃/min的升温速率升高到800℃保持2小时,取出样品即为多孔结构的针状焦基炭
材料,其X射线衍射(XRD)图谱见图2的a。使用三电极系统其进行电化学性能测试,循环伏安
(CV)和恒电流充放电(GCD)曲线如图3的a和b曲线所示。
缓慢加入,使用磁力搅拌器以400r/min的转速搅拌24小时,然后干燥,混合物放在管式炉中
间加热区域在氩气和氢气混合气氛(体积比为4:1)下进行热处理。热处理过程分为两个恒
温阶段:第一阶段,管式炉以15℃/min的升温速率升高到400℃保持2小时,第二阶段,管式
炉以15℃/min的升温速率升高到850℃保持2小时,取出样品,称取部分所得样品与硝酸钴
混合(金属元素与样品的质量比为3:100),放入反应釜中150℃水热反应8小时,取出样品过
滤干燥,即为金属钴调控孔结构的针状焦基炭材料,其X射线衍射(XRD)图谱见图2的b。使用
三电极系统其进行电化学性能测试,循环伏安(CV)和恒电流充放电(GCD)曲线如图4的a和b
曲线所示。
加入,使用磁力搅拌器以400r/min的转速搅拌24小时以上,然后干燥,混合物放在管式炉中
间加热区域在氩气和氢气混合气氛(体积比为3:1)下进行热处理。热处理过程分为两个恒
温阶段,第一阶段,管式炉以5℃/min的升温速率升高到400℃保持1小时,第二阶段,管式炉
以5℃/min的升温速率升高到800℃保持1小时,取出样品,称取部分所得样品与醋酸镍混合
(金属元素与样品的质量比为1:100),放入反应釜中120℃水热反应8小时,取出样品过滤干
燥,即为金属镍调控孔结构的针状焦基炭材料,其X射线衍射(XRD)图谱见图2的c。在三电极
系统下对其进行电化学性能测试,循环伏安(CV)和恒电流充放电(GCD)曲线如图5的a和b曲
线所示。
0.2毫克碳黑和聚偏氟乙烯,与8微升的无水乙醇混合成浆料,之后均匀的涂抹在直径为12
毫米的泡沫镍圆片上,使用压片机施加5MPa的压力压制电极片,一共准备两个。之后把商业
购买的2025型标准电池壳平放在桌面上,先放入一个直径为12毫米的泡沫镍圆片为集流
体,随即在把压制好的一个电极片放在集流体上,滴加20微升氢氧化钾溶液,再加入一个直
径为16毫米的NKK隔膜,滴加20微升氢氧化钾溶液,按顺序继续放入另一个电极片和集流
体,再滴加氢氧化钾溶液至充满电级壳,最后盖上壳盖。装好电池后使用电池封口机以5MPa
的压力封装电池。使用电化学工作站在两电极体系下测试纽扣电池的电容性能,所得的循
环伏安和恒电流充放电曲线如图6的a和b曲线所示,两种曲线均显示了极好的双电层电容
性能。
乙炔黑和0.2毫克聚四氟乙烯,与10微升的无水乙醇混合成浆料,,之后均匀的涂抹在直径
为12毫米的泡沫镍圆片上,使用压片机施加10MPa的压力压制电极片,一共准备两个。之后
把商业购买的2032型标准电池壳平放在桌面上,先放入一个直径为12毫米的泡沫镍圆片为
集流体,随即在把压制好的一个电极片放在集流体上,滴加25微升氢氧化钾溶液,再加入一
个直径为16毫米的NKK隔膜,滴加25微升氢氧化钾溶液,按顺序继续放入另一个电极片和集
流体,再滴加氢氧化钾溶液至充满电级壳,最后盖上壳盖。装好电池后使用电池封口机以
10MPa的压力封装电池。最后利用电化学工作站和电池测试系统在两电极体系下测试电池
性能,所得的纽扣电池显示了极好的充放电曲线、自放电曲线、恒电流充放电稳定性和库伦
效率曲线如图7所示。