结构储能一体化复合材料用碳纤维电极及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种结构储能一体化复合材料用碳纤维电极及其制备方法和在制备结构储能一体化复合材料中的应用。制备方法包括：生物质碳源去皮冻干、切块，得到生物质碳源块体；生物质碳源块体与磷酸、水混合完全浸渍后冻干处理；经冻干处理的生物质碳源块体于惰性气体氛围中进行高温碳化处理，碳化产物洗涤、干燥得生物质碳源衍生多孔碳材料；生物质碳源衍生多孔碳材料与导电剂、粘接剂混匀涂覆在碳纤维布表面，干燥得结构储能一体化复合材料用碳纤维电极。本发明专利技术具有制备工艺简单，碳纤维表面孔隙结构丰富、尺度调控便捷、电化学性能优异、不损伤碳纤维电极本体结构等特点，在结构储能一体化复合材料中具有广阔应用前景。一体化复合材料中具有广阔应用前景。一体化复合材料中具有广阔应用前景。

【技术实现步骤摘要】
结构储能一体化复合材料用碳纤维电极及其制备和应用


[0001]本专利技术涉及结构储能一体化复合材料领域，具体涉及一种结构储能一体化复合材料用碳纤维电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在能源危机与生态环境恶化的大背景下，新能源汽车、无人机等现代高端装备对储能设备提出了轻量化、集成化、多功能化技术的需求。当前，将结构部件与储能系统融合的理念受到学术界与工业界的关注。受到传统轻量化碳纤维复合材料的启发，将具有优异力学性能与良好导电性能的碳纤维作为多功能增强体，开发兼具储能与结构承载一体化的多功能复合材料，有望同时满足装备对结构承载与高效储能的需求，在新能源汽车与航空航天领域具有广泛应用前景。
[0003]受到双电层超级电容器储能原理与连续碳纤维增强树脂基复合材料层合板结构的启发，开发了兼具储能与结构承载功能的复合材料结构超级电容器，其结构由上下两层碳纤维电极与中间的玻璃纤维隔膜以及聚合物电解质组成。而碳纤维电极，承担着承载与富集电荷的双重任务，因此高性能的结构超级电容器要求碳纤维电极除了具有高比表面积、发达孔隙率、还应具有优良的力学性能和树脂浸润能力。
[0004]然而，商业化碳纤维，受限于表面光滑，比表面积小，化学惰性大，无法满足高性能结构超级电容器的基本需求，必须对碳纤维进行表面改性。当前常用的表面刻蚀活化处理技术，通过在碳纤维表面引入大量的缺陷提升比表面积，但却很大程度削弱了碳纤维的本体强度，而且简单的刻蚀处理难以构筑多层级的孔隙结构，粘性较大的聚合物电解质难以充分浸润碳纤维电极，实现电子的快速传输，并没有显著提升电荷的富集密度。总之，现有的碳纤维电极活化技术难以实现电极及结构超级电容器电化学与力学性能协同调控。
[0005]碳基活性材料修饰碳纤维电极也制备碳纤维电极的有效方法之一，通过负载活性碳材料在碳纤维表面构筑三维多孔结构，形成更多活性位点，改善电极材料表面可浸润性，提高电极材料的电荷存储与传输能力，从而使碳纤维电极材料及复合材料结构超级电容器的储能性能获得有效提升。活性炭、石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶等具有比表面积大、导电性好、循环稳定性好等优点，是常用的碳基活性材料。然而，这类材料生产成本昂贵，制备工艺复杂，限制了其规模应用。
[0006]如何开发具有多级孔隙结构、高比表面积的活性炭材料，是突破高性能的碳纤维电极的制备的关键技术之一。

技术实现思路

[0007]第一方面，本专利技术提供了一种结构储能一体化复合材料用碳纤维电极的制备方法，以具有天然多级孔隙结构的莲雾果实等生物质碳源作为前驱体，通过磷酸进行活化处理，并高温碳化，得到多级孔隙结构、高比表面积的活性碳材料，将生物质碳源衍生多孔活性碳材料负载到碳纤维表面，赋予碳纤维多孔结构，提升碳纤维结构电极的比表面积，提高
了碳纤维电极与树脂基电解质的相容性，以及离子在电极的内部的存储水平和迁移速度，改善了碳纤维电极的储能性能，为制备结构储能一体化复合材料用的碳纤维电极材料制备提供了新思路。
[0008]具体技术方案如下：
[0009]一种结构储能一体化复合材料用碳纤维电极的制备方法，包括步骤：
[0010](1)生物质碳源去皮冻干、切块，得到生物质碳源块体；所述生物质碳源为莲雾果、茄子或柚子皮(柚子皮去皮指的是去除外表面光亮的薄皮，保留内侧厚实结构)；
[0011](2)生物质碳源块体与磷酸、水混合完全浸渍后冻干处理；
[0012](3)经冻干处理的生物质碳源块体于惰性气体氛围中进行高温碳化处理，碳化产物洗涤、干燥得生物质碳源衍生多孔碳材料；具体的，如果生物质碳源为莲雾果，则得到的是莲雾衍生多孔碳材料，如果生物质碳源为茄子，则得到的是茄子衍生多孔碳材料，如果生物质碳源为柚子皮，则得到的是柚子皮衍生多孔碳材料；
[0013](4)生物质碳源衍生多孔碳材料与导电剂、粘接剂混匀涂覆在碳纤维布表面，干燥得所述结构储能一体化复合材料用碳纤维电极。
[0014]步骤(1)中，所述生物质碳源块体的长度可为0.5～2cm。
[0015]磷酸浸渍+高温碳化的组合处理可以在保持生物质原始天然多孔结构的基础上，提高生物质碳源衍生多孔碳材料的比表面积和孔隙度。步骤(2)中，所述生物质碳源块体与所述磷酸的质量比可为1:0.5～6，进一步优选为1:0.8～2(对应的生物质碳源为莲雾果)，可获得适宜比表面积(400～500m2/g)、适宜平均孔径(4～10nm)的生物质碳源衍生多孔碳材料。
[0016]步骤(2)中，所述冻干处理的时间可为48～96h。
[0017]步骤(3)中，所述惰性气体可为氮气和/或稀有气体。
[0018]步骤(3)中，所述高温碳化处理的温度优选为400～600℃，时间优选为1～3h，有利于莲雾果等生物质碳源在400～600℃时完全炭化并有较高的残炭率。
[0019]步骤(3)中，所述干燥具体可为75～85℃真空烘干。
[0020]步骤(3)中，所述生物质碳源衍生多孔碳材料的比表面积为300～3800m2/g，优选为400～500m2/g，平均孔径为1～15nm，优选为4～10nm。
[0021]步骤(4)中，所述导电剂可为乙炔黑。
[0022]步骤(4)中，所述粘接剂可为聚四氟乙烯的N
‑
甲基吡咯烷酮溶液。进一步的，所述聚四氟乙烯的N
‑
甲基吡咯烷酮溶液中聚四氟乙烯的质量百分含量可为1％～5％，示例的，具体可为2.5％。
[0023]步骤(4)中，所述碳纤维布可为硝酸氧化碳纤维布。
[0024]步骤(4)中，所述生物质碳源衍生多孔碳材料、所述导电剂、所述粘接剂的质量比可为8:0.1～1.9:0.1～1.9。
[0025]步骤(4)中，所述碳纤维布表面所述生物质碳源衍生多孔碳材料的涂覆量可为0.02～0.06g/cm2。
[0026]第二方面，本专利技术提供了第一方面所述的制备方法制备得到的结构储能一体化复合材料用碳纤维电极。
[0027]第三方面，本专利技术提供了第二方面所述的结构储能一体化复合材料用碳纤维电极
在制备结构储能一体化复合材料中的应用。
[0028]第四方面，本专利技术提供了一种结构储能一体化复合材料的制备方法，将第二方面所述的结构储能一体化复合材料用碳纤维电极与玻璃纤维布隔膜铺叠成碳纤维/玻璃纤维/碳纤维的三明治夹层结构，用复合型聚合物电解质充分浸渍所述三明治夹层结构，固化得到所述结构储能一体化复合材料；
[0029]所述复合型聚合物电解质的原料组成包括聚乙二醇二缩水甘油醚、聚醚胺和离子液体。
[0030]所述离子液体可选自磺酸盐型离子液体、氟磺酸盐型离子液体、醚型离子液体、咪唑型离子液体、吡咯型离子液体中的至少一种。
[0031]所述聚乙二醇二缩水甘油醚、所述聚醚胺、所述离子液体的质量比可为70～90:10～30:50～200，示例的，具体可为81.6:18.4:50～200。
[0032]所述固本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结构储能一体化复合材料用碳纤维电极的制备方法，其特征在于，包括步骤：(1)生物质碳源去皮冻干、切块，得到生物质碳源块体；所述生物质碳源为莲雾果、茄子或柚子皮；(2)生物质碳源块体与磷酸、水混合完全浸渍后冻干处理；(3)经冻干处理的生物质碳源块体于惰性气体氛围中进行高温碳化处理，碳化产物洗涤、干燥得生物质碳源衍生多孔碳材料；(4)生物质碳源衍生多孔碳材料与导电剂、粘接剂混匀涂覆在碳纤维布表面，干燥得所述结构储能一体化复合材料用碳纤维电极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述生物质碳源块体的长度为0.5～2cm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中：所述生物质碳源块体与所述磷酸的质量比为1:0.5～6；优选的，所述生物质碳源为莲雾果，所述生物质碳源块体与所述磷酸的质量比为1:0.8～2，所述生物质碳源衍生多孔碳材料的比表面积为400～500m2/g，平均孔径为4～10nm；所述冻干处理的时间为48～96h。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中：所述惰性气体为氮气和/或稀有气体；所述高温碳化处理的温度为400～600℃，时间为1～3h；所述干燥为75～85℃真空烘干；所述生物质碳源衍生多孔碳材料的比表面积为300～3800m2/g，平均孔径为1～15nm。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中：所述导电剂为乙炔黑；所述粘接剂为聚四氟乙烯的N
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐海兵，薛成贵，祝颖丹，颜春，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：