一種相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復合電極材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于炭材料制備技術領域，具體涉及一種相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復合電極材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]超級電容器是介于傳統電容器和電池之間的新型綠色儲能元件，具有功率密度大、使用溫度范圍寬、環境友好等優點，受到了人們的關注。電解液和電極材料是影響超級電容器性能的主要因素。多孔炭是超級電容器的主要電極材料，但其具有顆粒間內阻較大、導電性較差等缺點，需通過添加粘結劑和導電劑來提高多孔炭電極材料的循環穩定性和電導率。本專利介紹了一種相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復合電極材料的制備方法，所得材料直接作為超級電容器的電極，不需要添加粘結劑和導電劑。
[0003]煤瀝青，是煤焦油瀝青的簡稱，它是煤焦油蒸餾后的殘渣-副產物，具有含碳量較高、富含芳香性碳氫結構單元、價廉易得等優點。本文以煤瀝青為碳源，以氫氧化鉀為輔助活化劑生成大量的微孔，可以增加超級電器的比容。以二水醋酸鋅為模板劑可以產生中/大孔，以提高多孔炭電極材料的速率性能。更為重要的是，我們所得多孔炭納米片是直接生長在具有三維結構的泡沫鎳上，可以避免使用絕緣性的粘結劑和導電炭黑，以縮短離子傳輸距離，從而提高電極材料的導電性，降低其內阻，最終提高超級電容器用電極材料的容量和速率性能。
[0004]本發明以煤瀝青為碳源，具有廉價、易得、低灰和富含芳香性碳氫結構單元等優點。采用微波加熱，具有加熱均勻、快速和節能的優點。以廉價的二水醋酸鋅作為模板，可以進一步降低超級電器電極材料的制備成本。文獻檢索表明，以煤瀝青為碳源，以二水醋酸鋅作為模板劑輔以氫氧化鉀活化法制備相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳電極復合材料這一方法未見報道。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是克服現有技術不足，提供一種相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復合電極材料的制備方法。
[0006]為了實現上述發明目的，本發明是通過以下技術方案予以實現的。
[0007]本發明具體步驟如下:
[0008](I)反應物的預處理:將泡沫鎳洗滌、干燥后，沖成圓片并稱重，放在蒽油中浸泡5min后得蒽油浸泡后的泡沫鎳；將一定量的煤瀝青與二水醋酸鋅研磨混勻后在管式爐中加熱，冷卻到室溫、研磨后得到混合物A ;稱取一定質量的氫氧化鉀研磨并與混合物A混合均勻，得到混合物B ;將混合物B均勻的壓入蒽油浸泡后的泡沫鎳的孔隙中，并將被填充后的泡沫鎳與剩余的混合物B —起放入剛玉坩禍中，得到反應物C ；
[0009]其中:二水醋酸鋅的質量占泡沫鎳、煤瀝青和二水醋酸鋅三者混合物總質量的50%?65%;氫氧化鉀和二水醋酸鋅的質量比介于5/12?10/12之間；蒽油和泡沫鎳的質量比為3/2 ;
[0010](2)相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復合電極材料的制備:把反應物C放在石英罩內，并將石英罩放入微波爐內；在流動的氬氣氣氛下，采用微波加熱制備多孔炭納米片/泡沫鎳復合材料；反應結束后，將多孔炭納米片/泡沫鎳取出，放在稀鹽酸溶液中浸泡2h以上，用蒸餾水洗滌至中性，干燥后得多孔炭納米片/泡沫鎳復合電極材料。
[0011]作為一種優化，在步驟(I)中，煤瀝青的質量為3g，二水醋酸鋅的質量為18g，氫氧化鉀的質量為10g，泡沫鎳為0.26g，蒽油的質量為0.39g0此時制備所得復合材料在6mol/L KOH電解液中，在電流為2A/g或23mA/cm2時，其質量比容為490F/g，面積比容為2846mF/cm2o由復合材料制備的對稱型超級電容器的可用能量密度為16.6ffh/kg或6.9mWh/cm2。
[0012]本發明科學原理:
[0013]以煤瀝青為碳源，通過模板耦合氫氧化鉀活化法，采用微波快速加熱可以實現相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復合電極材料的原位制備。其中，泡沫鎳一方面作為超級電容器的集流體，另一方面作為三維多孔炭的支撐骨架，可以實現多孔炭與泡沫鎳的密切接觸，減小電極材料的內阻，并省去以往超級電容器用電極材料所用的導電劑和粘結劑，從而簡化超級電容器用電極材料的制備工藝，節約生產成本，并能提高超級電容器用電極材料的容量和速率性能。
[0014]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0015](I)碳源煤瀝青和模板二水醋酸鋅均具有廉價、易得的優點。
[0016](2)原料是以干混的方式混合均勻之后壓入泡沫鎳孔隙中，原料處理工藝簡單。
[0017](3)采用微波一步加熱直接制備相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復合電極材料，具有高效、快速、節能的優點。
[0018](4)本專利省去以往超級電容器電極所用的導電劑和粘結劑，直接以泡沫鎳為導電骨架，液化后的煤瀝青和三維網狀泡沫鎳結合充分，減小電極材料的內阻，可以獲得高容量和高速率性能的超級電容器電極材料。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明實施例1、2、3、4制備相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復合電極材料時微波升溫曲線。
[0020]圖2是本發明實施例3所用相互連接的泡沫鎳的電鏡照片。
[0021]圖3是本發明實施例3所得相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復合電極材料的電鏡照片。
[0022]圖4是本發明實施例3所得相互連接的多孔炭納米片的電鏡照片。
[0023]圖5是本發明實施例1、2、3、4制備的相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復合電極材料的面積比容隨電流密度的變化圖。
[0024]圖6是本發明實施例1、2、3、4制備的相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復合電極材料的面積能量密度隨功率密度的變化圖。
【具體實施方式】
[0025]以下結合具體實施例詳述本發明，但本發明不局限于下述實施例，應當理解成事例性的，本領域的技術人員可以在不違背本發明精神和范圍的基礎上進行改變和修改，所有這些改變和修改包括在本發明范圍內。
[0026]實施例1
[0027]相互連接的多孔炭納米片/泡沫鎳復合電極材料C/N1-Ι具體制備過程如下:
[0028](I)反應物的預處理:將孔徑為75目的泡沫鎳在0.lmol/L的NaOH溶液里超聲振蕩Ih后，用蒸餾水洗滌至中性得堿處理后的泡沫鎳；將堿處理后的泡沫鎳