CN103928239A - 超级电容器电极材料活性碳纤维的表面改性方法 - Google Patents

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高宇
王禹
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Abstract

本发明的超级电容器电极材料活性碳纤维的表面改性方法，涉及超级电容器的技术领域。以物理活化后工业废料级碳纤维为原样，在30％～95％的硝酸中浸泡6～48小时；再在40～200℃下热处理6～12小时，得到表面改性的活性碳纤维超级电容器电极材料。本发明经过简单的表面改性增加材料的表面活性，得到了具有较高的容量、较好倍率性能以及较稳定的循环性能的超级电容器电极材料。

Description

超级电容器电极材料活性碳纤维的表面改性方法
技术领域：
本发明涉及超级电容器的技术领域，具体涉及一种超级电容器电极材料活性碳纤维的表面改性方法。
背景技术：
进入21世纪以来，随着石油、天然气和煤等不可再生能源的不断消耗殆尽，世界经济发展受其影响越来越大，我国属于石油资源相对匮乏国家，随着国际石油价格的不断攀升，将对国家的经济和石油安全带来严重影响，因此清洁能源的研究和开发对国家经济的可持续发展有着重要的作用。
超级电容器最为一种新型的电化学储能装置，其具备电极材料丰富、功率密度大、充放电寿命长及安全性能高等特点，受到全世界科学家和政府部门的广泛关注。超级电容本身具有快速充电的性能，可以用在一些需要快速充电的产品中，比如电动车，手电筒等；大电流放电的性能可以使超级电容用在电动工具上，例如汽车启动器等；除此之外它也可以作为静态随机存贮器、数据传输***等微小电流供电的后备电源。随着其应用领域的拓宽，市场需求量也在逐步提高，因此如何能简单廉价的得到高容量的电极材料成为研究关键。
在国际上，纤维类碳材料被认为是与黄金同等价值的新型材料，它是继石器和钢铁等金属材料后的新材料。伴随着需求量的上升，就不可避免的产生了大量的工业废料级碳纤维，而活性碳纤维又是公认的超级电容器电极材料，但是以此为原料通过物理活化只能得到表面活性较差的活性碳纤维材料，容量较低，倍率性很差，根本无法满足市场上的应用需求。
本发明以物理活化后的工业废料级碳纤维为原料，经过简单的表面改性增加材料的表面活性，得到了性能较好的超级电容器电极材料。
发明内容：
本发明解决的技术问题在于，利用现有的活性碳纤维材料，提供一种步骤少、工艺简单的表面改性方法，达到了明显提高材料电化学性能的目的。
本发明以物理活化后工业废料级碳纤维为原料，经过硝酸浸泡和热处理两个步骤得到富含表面含氧官能团的活性碳纤维，增加了材料的的表面活性，进而提高材料电化学性能。
本发明的具体技术方案如下：
一种超级电容器电极材料活性碳纤维的表面改性方法，将活性碳纤维在质量浓度30％～95％的硝酸中浸泡6～48小时；在把浸泡过的表面包裹着硝酸的活性碳纤维在40～200℃下热处理6～12小时，得到表面改性的活性碳纤维超级电容器电极材料。
优选的硝酸质量浓度是62％～68％。优选的浸泡时间是12～18小时。浸泡时间过短影响改性的效果，但浸泡时间太长对改性也不起作用。最佳的浸泡条件是在质量浓度65％的硝酸中浸泡12小时。
优选的热处理温度是80～160℃。实验表明，160℃与200℃的热处理温度改性效果没有太大的提高，因此，过高的热处理温度只能浪费能源。实验表明，最佳的热处理条件是在80℃下热处理12小时。
本发明制备的表面改性的活性碳纤维电极材料具有较高的容量、较好倍率性能以及较稳定的循环性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案及其制备出来材料的性能，下面给出相关图示。
图1为本发明的活性碳纤维表面改性流程示意图。
图2为活性碳纤维表面改性前后的XRD对比图。
图3为活性碳纤维表面改性前后的CV对比图。
图4为活性碳纤维表面改性前后的不同电流密度下的容量对比图。
图5为活性碳纤维表面改性前后在10mA/cm2的电流密度下的循环性能对比图。
具体实施方式：
实施例1：
将水清洗后的活性碳纤维(原样)放入装有65％硝酸的烧杯中浸泡，滤出得到了表面包裹着硝酸的活性碳纤维，迅速放入80℃的真空烘箱进行热处理12小时，取出后自然降温得到了电极材料(硝酸65％)。
活性碳纤维材料原样和表面改性的活性碳纤维材料分别与导电助剂(superP)、粘结剂(PTFE)按照质量比85:10:5混合，擀压成片，采用对称电极的组装方式组装成扣式电容器，电解液选为常用的6M的KOH溶液。表1给出活性碳纤维表面改性前后的C、H、N、O测试结果。
表1
从图2和表1中可以看出，经过改性之后的材料晶体主结构上没有明显的改变，但是提高了材料的含氧官能团的含量，在容量提升方面起到了关键作用；从图3中可以看出，引入的含氧官能团能增加材料表面活性；从图4中可以看出改性后的最高容量从139F/g增加到214F/g，提升幅度为54％，而提升更明显的是高倍率下的容量，100mA/cm2的电流密度下容量从41F/g提高到160F/g，提升幅度为290％；图5中可以看出改性后3000次循环后的容量保持率依然可以达到100％。
实施例2：
实施例2与实施例1的区别之处在于选用不同温度40℃、160℃和200℃对材料进行热处理，其他条件相同，组装成电容器测试后的最高容量分别为179F/g、204F/g和202F/g。
实施例3：
实施例3与实施例1的区别之处在于选用了浓度为35％的稀硝酸对材料进行浸泡，其他条件相同，组装成电容器测试后的最高容量为163F/g，100mA/cm2的电流密度下容量为105F/g。
实施例4：
实施例4与实施例1的区别之处在于选用了浓度为95％的发烟硝酸对材料进行浸泡，其他条件相同，组装成电容器测试后的最高容量为165F/g，100mA/cm2的电流密度下容量为109F/g。
实施例5：
实施例5与实施例1的区别之处在于热处理时间变为6个小时，其他条件相同，组装成电容器测试后的最高容量为192F/g，100mA/cm2的电流密度下容量为125F/g。
实施例6
实施例6与实施例1的区别之处在于没有热处理的步骤，只有硝酸浸泡的步骤，其他的条件相同，组装成电容器测试后的最高容量为159F/g，100mA/cm2的电流密度下容量为80F/g。

Claims (5)

1.一种超级电容器电极材料活性碳纤维的表面改性方法，将活性碳纤维在质量浓度30％～95％的硝酸中浸泡6～48小时；在把浸泡过的表面包裹着硝酸的活性碳纤维在40～200℃下热处理6～12小时，得到表面改性的活性碳纤维超级电容器电极材料。 
2.根据权利要求1所述的超级电容器电极材料活性碳纤维的表面改性方法，其特征在于，所述的硝酸质量浓度，是62％～68％；所述的浸泡时间，是12～18小时。 
3.根据权利要求1所述的超级电容器电极材料活性碳纤维的表面改性方法，其特征在于，所述的热处理，温度是80～160℃。 
4.根据权利要求1或2所述的超级电容器电极材料活性碳纤维的表面改性方法，其特征在于，将活性碳纤维在质量浓度65％的硝酸中浸泡12小时。 
5.根据权利要求1或3所述的超级电容器电极材料活性碳纤维的表面改性方法，其特征在于，所述的热处理，是在80℃下热处理12小时。 
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