CN102280262A

CN102280262A - 一种多孔碳电极材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102280262A
Application number: CN 201110028428
Authority: CN
Inventors: 郭培志; 赵修松; 顾毅; 雷志斌
Original assignee: Qingdao University
Current assignee: Qingdao University
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2011-12-14

Abstract

一种应用碳化蔗糖制备高比表面、大电容、电容循环稳定性好的多孔碳材料的方法。本发明主要包括以下3个方面1)选用蔗糖为原料价廉、化学纯度高、易于购买；2)选用98％的浓硫酸对蔗糖进行预处理预处理后的样品分别在在600℃、700℃、800℃、900℃下通氮气碳化90min得到多孔碳样品；3)选取质量浓度为30％的KOH水溶液为电解夜，样品利用循环伏安法，计时电位法对制得的多孔碳样品进行测试，在100mA/g的电流密度下，得到232.6F/g的大电容；在1A/g的电流密度下循环1000次后，其电容损失率小于5％。测试结果表明蔗糖在800℃下所制得的多孔碳样品电极的电容大，循环稳定性好。

Description

一种多孔碳电极材料及其制备方法

技术领域：

本发明属于电化学和新能源材料领域，涉及一种以蔗糖为原料制备多孔碳电极材料的方法，电极材料用于超级电容器。

背景技术

电化学电容器又名超级电容器，分为双电层超级电容器和赝电容超级电容器两类，是一种介于普通电容器与二次电池之间的新型储能器件，特点是比能量大于传统电容器，比功率高于电池，可快速充、放电，循环寿命长，低温性能好。高性能的双电层电容器在移动通讯、航空航天、电动汽车和国防等方面具有广阔的应用前景。双电层电容器电极材料应当具有利于电荷积累的大表面和便于电解液润湿及离子快速运动的孔结构。因而，决定电化学电容器性能最根本因素之一是电极材料，而活性碳材料具有发达的微孔结构，巨大的比表面积和优良的吸附性能，便于电解液的浸润，有利于电荷的积累，因而电化学稳定性良好，并且对环境无毒，是电化学电容器中应用最广泛的材料之一。国内外一直在大力研究开发以生物材料为原料制备不同活性炭，例如通过热解生物原料，如木材，煤，泥炭，椰子和其他农产品废弃物。由于大部分生物原料受地域及气候等自然环境的影响，原料不容易买到而且电容量不高难以满足现代电极材料和电动力发展的要求。因此研究采用价廉、化学纯度高、易于购买的蔗糖作原料制备多孔碳电极材料不仅具有环境保护，而且具有经济效益的双层意义。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术所存在的不足之处，提供一种利用碳化蔗糖制备多孔碳电极材料及其制备方法。

具体的制备步骤如下：

(1)多孔碳制备

将蔗糖、水、浓H₂SO₄按照一定的比例混合，在振荡器上室温振荡2h，然后放入到100℃烘箱中加热4h，以除去水分，150℃保持2h，然后分别放入在600℃、700℃、800℃、900℃下的管式电阻炉中氮气氛围碳化300分钟制成多孔碳，分别记作C-1、C-2、C-3、C-4。

(2)多孔碳电极的制备

选用水系电解液浓度为30％的氢氧化钾(KOH)溶液；质量百分比为60％的聚四氟乙烯(PTFE)乳液为粘结剂；泡沫镍裁为1×1cm尺寸的块状；将所制备的多孔碳样品C-1、C-2、C-3、C-4分别研磨成粉末，按多孔碳∶导电石墨∶PTFE乳液为0.85∶0.1∶0.05的质量比例称取后混合均匀形成粘性泥状物；将粘性泥状物转移到铝箔上，碾压成片状后转移到干燥称量好的泡沫镍块上均匀铺展开，然后在110℃下真空干燥后称量，再用铝箔把干燥好的泡沫镍包为三明治状，用油压机在12.5MP压力下压制3分钟，得到电极片，将多孔碳样品C-1、C-2、C-3、C-4所制得的电极片分别记为EC-1、EC-2、EC-3、EC-4；将压制好的电极片称量以便计算泡沫镍上活性物质的质量，然后将EC-1、EC-2、EC-3、EC-4在水系电解液中浸泡12-24小时后备用。

(3)多孔碳电极的测试

选取三电极体系分别是：

自制多孔碳电极为工作电极；Hg/HgO电极为参比电极；铂片为对电极；量取8ml的KOH电解液加入到电解池中，三电极体系安装好后通氮气60分钟，去除溶液中的氧气，分别测试其循环伏安曲线图和恒流充放电曲线图.

本发明所得的多孔碳材料的特征是微孔结构，孔的直径都＜2nm。经过电化学测试，结果表明，本发明所得的多孔碳电极材料的电化学容量显著增加，特别是EC-3，选用3M KOH作为电解液，在5mv扫描速率下，循环伏安图更接近于矩形，当电流密度100mA/g时，EC-3的比电容高达232.6F/g。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明采用的是价廉、化学纯度高、易于购买的蔗糖为原料，制备多孔碳。(2)本发明制得的多孔碳具有大量的微孔结构和较大的比表面，有利于电解液的浸润，这是取得优异电化学电容性能的前提。(3)相对于其他的处理方法，本方法工艺简单、便于控制、用利于工业化生产。(4)本发明方法获得的电极材料的比电容量明显增加，在大电流密度下循环1000次后电容仍能维持较高的值，电容损失率很小。

附图说明：

图1为本发明制得的EC-1、EC-2、EC-3、EC-4在50mv/s扫速下的循环伏安图。

图2为本发明制得的EC-1、EC-2、EC-3、EC-4在5mv/s扫速下的循环伏安图。

图3为本发明本发明制得EC-3在2A/g、1A/g、0.5A/g电流密度下的充放电测试图。

图4为本发明制得的EC-3在0.1A/g电流密度下的充放电测试图。

图5为按步骤3所得的EC-3的容量-循环次数曲线图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图做进一步说明。

实施例：

1.多孔碳制备：将蔗糖、水、浓H₂SO₄按照入质量比为5∶10∶1的蔗糖、水、硫酸溶液各20mL混合，在振荡器上室温振荡2h，然后放在100℃烘箱中加热4h，以除去水分，150℃保持2h，然后分别放入在600℃、700℃、800℃、900℃下的管式电阻炉中氮气氛围碳化5h，制成多孔碳，别记作C-1、C-2、C-3、C-4。

下表1为C-1、C-2、C-3、C-4的孔结构参数。由表一可以看出制得多孔碳大多数是微孔结构。

表1：

	C-1	C-2	C-3	C-4
					比表面积(m²/g)	178.7	234.5	603.4	546.1
孔体积(cm³/g)	0.103	0.129	0.287	0.263
					微孔体积(cm³/g)	0.056	0.079	0.252	0.22

2.多孔碳电极的制备：选用水系电解质溶液，30％KOH溶液；市售60％的PTFE乳液为粘结剂；泡沫镍裁为1×1cm的尺寸；将所制备的多孔碳样品C-1、C-2、C-3、C-4分别经球磨成粉末，多孔碳∶导电石墨∶PTFE以质量比为0.85∶0.1∶0.05的比例称取，秤取后混合均匀形成粘性的泥状物；将制备好的有粘性的泥状物样品转移到铝箔上，用小样品瓶压成片状，将片状样品转移到干燥称量好的泡沫镍上，在泡沫镍上均匀铺展开，然后在110℃下真空干燥；干燥完后称量，称量完后，用铝箔把干燥好的泡沫镍包为三明治状，用油压机在12.5MP压力下压3min；得到压好的电极，多孔碳样品C-1、C-2、C-3、C-4所制得的电极片分别记为EC-1、EC-2、EC-3、EC-4；将压好的电极称量以便计算泡沫镍上活性物质的质量，然后将EC-1、EC-2、EC-3、EC-4泡入电解质溶液中12-24h。

3.多孔碳电极的测试：利用三电极体系；工作电极为自制多孔碳电极；参比电极为Hg/HgO电极；对电极为铂片；量取约8ml的KOH电解质溶液加入到电解池中，三电极体系安装好，然后通氮气30min，去除溶液中的氧气；图1和图2分别为EC-1、EC-2、EC-3、EC-4在扫描速率50mv/s、5mv/s的循环伏安曲线图，可以看出EC-3在扫速5mv/s下图形更接近于矩形，阴极和阳极过程基本对称，表明电极具有较好的电容性能；图3和图4分别为EC-1、EC-2、EC-3、EC-4的恒流充放电曲线图；电容计算公式：

C = \frac{I * t_{d}}{m * Δv}

公式中：I——恒定的电流值，A

t_d——充/放电时间，s

m——电极片上活性物质的质量，g

Δv——充/放电电压升高/降低平均值

表2：为利用此公式由图3和图4计算出的EC-1、EC-2、EC-3、EC-4的电容值

Claims

1.本发明是一种多孔碳电极材料的制备其特征在于选用蔗糖作为原料廉价化学纯度高、易于购买。

2.如权利要求1所述的一种多孔碳电极材料的制备，其特征在于，将蔗糖、水、浓H₂SO₄按照入质量比为5∶10∶1混合，先在振荡器上室温振荡2h，然后放在100℃烘箱中加热4h，以除去水分，150℃保持2h。

3.如权利要求1，2所述的一种多孔碳电极材料的制备，其特征在于，将处理过的蔗糖直接在600-900℃下利用氮气保护碳化5h得到多孔碳样品。

4.如权利要求1，2，3所述的一种多孔碳的制备，其特征在于，选用30％的KOH水溶液为电解液进行电化学测试。

5.如权利要求1，2，3，4所述的一种多孔碳的制备，其特征在于碳化800℃得到的多孔碳制成电极片在100mA/g的电流密度下电容可达232.6F/g。

6.如权利要求5所述的一种多孔碳电极材料的制备，其特征在于，在1A/g的电流密度下循环1000次后，其电容损失率小于5％。