CN107633959A - 一种电极材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电极材料的制备方法，涉及电池技术领域。该方法包括：将纳米无机材料分散于N，N‑二甲基甲酰胺中，得到分散液，再加入聚丙烯腈，并在70℃下加热1小时，得到混合粘液，所得混合粘液中聚丙烯腈的质量分数为15％，对混合粘液进行静电纺丝，并将得到的原丝在空气氛围、250℃的条件下热处理0.5小时，将热处理后的原丝在氮气气氛、800℃的条件下加热3小时，并进行清洗、烘干得到原位氮掺杂碳纤维/氧化镁复合材料，将所得复合材料作酸处理，可得到原位氮掺杂的纳米多孔碳纤维电极材料。上述方法工艺简单，制备过程环保，原料廉价，通过加入纳米材料可以提高材料的比表面积，以及加入聚丙烯腈得到原位氮掺杂材料可以提高材料的电化学性能。

Description

一种电极材料的制备方法

技术领域

本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种电极材料的制备方法。

背景技术

超级电容器由于其较高的能量密度、快充放电速率及较好的循环稳定性，作为电化学储能器件引起了极大的关注。

提升超级电容器性能的关键是对电极材料的优化。目前，现有技术中，经常使用的碳材料包括活性炭、碳纤维、碳纳米管和石墨烯等。但是现有的电极用碳材料的电导率和比表面积偏低，且孔径分布不均匀，导致超级电容器的性能有待进一步提升。另外，由于现有的纳米多孔碳材料尚有制备工艺复杂，制备时间较长，成本较高的问题，这些都制约着其作为电极材料在超级电容器上的应用。

发明内容

本发明提供一种电极材料的制备方法，旨在解决现有的电极用碳材料的电导率和比表面积偏低，且孔径分布不均匀，导致超级电容器的性能有待进一步提高的问题。以及由于现有的纳米多孔碳材料还有制备工艺复杂，制备时间较长，成本较高等制约着其作为电极材料在超级电容器应用的问题。

本发明提供一种电极的制备方法，包括：

将纳米材料分散于N，N-二甲基甲酰胺中，得到分散液，再加入聚丙烯腈，在50～80℃下加热1～4小时，得到混合粘液，所得混合粘液中聚丙烯腈的质量分数为5-15％；

对所述混合粘液进行静电纺丝，并将得到的原丝在空气氛围、250～300℃的条件下热处理0.5～2小时；

将热处理后的原丝在氮气气氛、800～1000℃的条件下加热3～5小时，并进行清洗、烘干得到原位氮掺杂碳纤维/氧化镁复合材料将所得复合材料作酸处理，得到原位氮掺杂多孔纳米碳纤维电极材料；

其中，所述纳米材料为纳米氢氧化镁、纳米氢氧化锌、纳米碳酸锌、纳米碳酸镁、纳米碳酸钡和纳米碳酸钙中的至少一种，所述纳米材料在所述分散液中的质量分数为5～15％，所述聚丙烯腈的重均分子量为75000～90000。

本发明提供的一种电极材料的制备方法，在制备过程中加入纳米无机材料可以得到纳米级的多孔材料。如此，通过控制纳米无机材料的加入量可以控制材料中纳米孔数量，极大提高了材料的比表面积，提高了材料的电导率。在制备过程中加入聚丙烯腈，得到原位氮掺杂材料，由于该材料中存在氮的孤对电子，可以提高材料的电化学性能。此外，该材料的制备过程简单，时间短，原料便宜，将该材料用作超级电容的电极材料，可以提高超级电容的电化学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。

图1(a)和图1(b)是本发明实施例制备得到的纳米氢氧化镁材料的扫描电镜图；

图2是本发明实施例制备得到的纳米氢氧化镁材料X射线衍射图；

图3是本发明实施例静电纺丝得到的原丝的扫描电镜图；

图4是本发明实施例制备得到的原位氮掺杂多孔碳纤维材料的扫描电镜图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种电极材料的制备方法，该方法包括：

将含镁离子的溶液与含氢氧根离子的溶液混合，过滤、分离，得到纳米氢氧化镁材料；

将纳米材料分散于N，N-二甲基甲酰胺中，得到分散液，再加入聚丙烯腈，在50～80℃下加热1～4小时，得到混合粘液，所得混合粘液中聚丙烯腈的质量分数为5-15％；

对混合粘液进行静电纺丝，并将得到的原丝在空气氛围、250～300℃的条件下热处理0.5～2小时；

将热处理后的原丝在氮气气氛、800～1000℃的条件下加热3～5小时，并进行清洗、烘干得到原位氮掺杂碳纤维/氧化镁复合材料的电极；将所得复合材料作酸处理，得到原位氮掺杂多孔纳米碳纤维电极材料。

其中，纳米材料为纳米氢氧化镁、纳米氢氧化锌、纳米碳酸锌、纳米碳酸镁、纳米碳酸钡和纳米碳酸钙中的至少一种，纳米材料在分散液中的质量分数为5～15％，，聚丙烯腈的重均分子量为75000～90000。

本发明提供的电极材料制备方法，在制备过程中将纳米氢氧化镁材料，如图1(a)和图1(b)、图2所示，图1(a)和图1(b)分别是纳米氢氧化镁材料的扫描电镜图，图2为纳米氢氧化镁材料的X射线衍射图。图1(a)和图1(b)、图2示出的材料为纳米级氢氧化镁颗粒，在制备过程中加入纳米氢氧化镁材料最终可以得到纳米多孔的材料。如此，通过控制纳米氢氧化镁材料的加入量可以控制材料中纳米孔的数量，极大提高了材料的比表面积，提高了材料的电导率，其中，纳米氢氧化镁材料的质量分数越大，纳米孔个数越大，比表面积越高。在制备过程中加入聚丙烯腈，得到原位氮掺杂材料，由于该材料中存在氮的孤对电子，可以提高材料的电化学性能。如图4所示，图4示出了制备得到的原位氮掺杂多孔碳纤维材料的扫描电镜图，由图中可以看出，纳米碳纤维上存在均匀分布的纳米孔。将制备得到的原位氮掺杂多孔碳纤维材料进行电化学测试，在电流密度为1.0A/g时，该材料的比电容可高达327.3F/g，在经过10000次充放电循环后，仅有7％的损耗，材料显示出高的循环稳定性。此外，该材料的制备过程简单，时间短，原料便宜，将该材料用作超级电容器的电极材料，可以显著提高超级电容器的电化学性能。

进一步地，制备纳米氢氧化镁的方法包括：

将水溶性镁盐和碱性化合物分别溶于去离子水中，得到镁盐溶液和碱性溶液；

将碱性溶液缓慢滴加到镁盐溶液中进行反应，将得到的浑浊溶液水浴加热、搅拌、回流、冷却到室温后进行离心分离，得到纳米氢氧化镁材料。

可选地，水溶性镁盐可以为硫酸镁、氯化镁或硝酸镁等镁盐。碱性化合物可以为氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸氢钠，碳酸氢钾等。

优选地，纳米氢氧化镁材料占分散液的质量分数的10％。在实际应用中，纳米氢氧化镁的质量分数越大，制得的原位氮掺杂多孔碳纤维材料的比表面积越大。聚丙烯腈的重均分子量为85000。将聚丙烯腈加入分散液后，在在70℃下加热2小时，得到混合粘液。热处理的温度为280℃，热处理的时间为1小时。

具体的，静电纺丝的工艺参数为，静电纺丝的温度为25℃，静电纺丝的电压为11～15千伏，湿度为30～50％。优选地，静电纺丝的电压为12千伏，湿度为40％。其中，静电纺丝的电压越高，纺出的原丝的直径越细。可以通过控制静电纺丝的电压来控制纺出的原丝的直径。

优选地，热处理的温度为270～280℃，热处理的时间为1小时。将热处理后的原丝的加热温度为900℃，加热时间为4小时。

进一步地，将加热后的原丝进行清洗、烘干的步骤为：

将加热后的材料浸泡于质量分数为1％～5％的盐酸中，并用去离子水清洗；

将清洗后的材料在50～70℃下干燥。

实施例1

1、将六水合硝酸镁和氢氧化钠分别溶于去离子水中，得到硝酸镁溶液和氢氧化钠溶液；

2、在搅拌的同时将氢氧化钠溶液缓慢滴加到硝酸镁溶液中进行反应，将得到的浑浊溶液水浴加热至100℃、搅拌、回流3小时、冷却到室温后进行离心分离，得到纳米氢氧化镁材料；

3、将得到的10g纳米氢氧化镁材料分散于90gN，N-二甲基甲酰胺中，得到分散液，并将35g聚丙烯腈加入分散液中，在70℃下加热3小时，得到混合粘液；

4、对混合粘液在温度为25℃，电压为12千伏，湿度为40％的条件下进行静电纺丝，并将得到的原丝在空气氛围、280℃的条件下热处理1小时；

5、将热处理后的原丝在氮气气氛、900℃的条件下加热4小时，并将加热后的材料浸泡于盐酸中，并用去离子水清洗，将清洗后的材料在60℃下干燥得到原位氮掺杂多孔碳纤维电极材料。

实施例2

1、取10g纳米氢氧化镁粉末分散于90g N，N-二甲基甲酰胺中，得到分散液，并将35g聚丙烯腈加入分散液中，在70℃下加热3小时，得到混合粘液；

2、对混合粘液在温度为25℃，电压为12千伏，湿度为40％的条件下进行静电纺丝，并将得到的原丝在空气氛围、280℃的条件下热处理1小时；

3、将热处理后的原丝在氮气气氛、900℃的条件下加热4小时，并将加热后的材料浸泡于盐酸中，并用去离子水清洗，将清洗后的材料在60℃下干燥得到原位氮掺杂多孔碳纤维电极材料。

实施例3

1、将氯化锌和氢氧化钠分别溶于去离子水中，得到氯化锌溶液和氢氧化钠溶液；

2、在搅拌的同时将氢氧化钠溶液缓慢滴加到氯化锌溶液中进行反应，将得到的浑浊溶液水浴加热至90℃、搅拌、回流2.5小时、冷却到室温后进行离心分离，得到纳米氢氧化锌材料；

3、将得到的15g纳米氢氧化锌材料分散于85g N，N-二甲基甲酰胺中，得到分散液，并将45g聚丙烯腈加入分散液中，在65℃下加热3小时，得到混合粘液；

4、对混合粘液在温度为25℃，电压为15千伏，湿度为45％的条件下进行静电纺丝，并将得到的原丝在空气氛围、270℃的条件下热处理1小时；

5、将热处理后的原丝在氮气气氛、900℃的条件下加热4小时，并将加热后的材料浸泡于盐酸中，并用去离子水清洗，将清洗后的材料在60℃下干燥得到多孔碳纤维电极材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将纳米材料分散于N，N-二甲基甲酰胺中，得到分散液，再加入聚丙烯腈，在50～80℃下加热1～4小时，得到混合粘液，所得混合粘液中聚丙烯腈的质量分数为5-15％；

对所述混合粘液进行静电纺丝，并将得到的原丝在空气氛围、250～300℃的条件下热处理0.5～2小时；

将热处理后的原丝在氮气气氛、800～1000℃的条件下加热3～5小时，并进行清洗、烘干得到原位氮掺杂碳纤维/氧化镁复合材料将所得复合材料作酸处理，得到原位氮掺杂多孔纳米碳纤维电极材料；

其中，所述纳米材料为纳米氢氧化镁、纳米氢氧化锌、纳米碳酸锌、纳米碳酸镁、纳米碳酸钡和纳米碳酸钙中的至少一种，所述纳米材料在所述分散液中的质量分数为5～15％，所述聚丙烯腈的重均分子量为75000～90000。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制备纳米氢氧化镁的方法包括：

将水溶性镁盐和碱性化合物分别溶于水中，得到镁盐溶液和碱性溶液；

将所述碱性溶液滴加到所述镁盐溶液中进行反应，将得到的浑浊溶液水浴加热、搅拌、回流、冷却到室温后进行离心分离，得到所述纳米材料。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述水溶性镁盐为硝酸镁、硫酸镁和氯化镁中的至少一种；所述碱性化合物为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢钠和碳酸氢钾中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米氢氧化镁材料在所述分散液中的质量分数为10％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚丙烯腈的重均分子量为85000。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，静电纺丝的温度为25℃，静电纺丝的电压为11～15千伏；湿度为30～50％。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，热处理的温度为270～280℃的条件下热处理1小时。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将热处理后的原丝在900℃的条件下加热4小时。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将热处理后的原丝进行清洗、烘干的步骤为：

将加热后的材料浸泡于盐酸中，并用水清洗；

将清洗后的材料在50～70℃下干燥。