超级电容器用磷掺杂多孔碳材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种超级电容器用磷掺杂多孔碳材料及其制备方法，其解决了现有材料成本高、比电容量较低的技术问题，本发明专利技术中的超级电容器用磷掺杂多孔碳材料，其含有碳元素65～98wt%、氧元素1.5～23wt%以及磷元素0.5～12wt%。本发明专利技术同时提供了其制备方法。本发明专利技术可广泛用于超级电容器材料的制备领域。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种，其解决了现有材料成本高、比电容量较低的技术问题，本专利技术中的超级电容器用磷掺杂多孔碳材料，其含有碳元素65～98wt%、氧元素1.5～23wt%以及磷元素0.5～12wt%。本专利技术同时提供了其制备方法。本专利技术可广泛用于超级电容器材料的制备领域。【专利说明】
本专利技术属于材料领域，具体涉及一种。
技术介绍
超级电容器比能量高、功率密度大、使用寿命长,是一种介于二次电池和传统电容器之间的一种高性能储能器件。超级电容器在微电子器件、汽车启动装置及太阳能、风电储存等领域有着极其广泛的应用。石化能源的日益枯竭，促使超级电容器、锂离子电池等新能源广品获得了如所未有的关注。多孔碳材料比表面积大、物理化学性能稳定、结构可控、价格相对低廉，是超级电容器使用最广泛的电极材料。目前，制备多孔碳材料的方法主要有活化法和模板法。活化法制备的多孔碳材料比表面积大，但是孔结构不可控，很难进一步提高碳材料的比电容量。例如，专利号为CN200510031195.7的中国专利采用KOH刻蚀法制备了比表面积高达2000?3000m2/g的活性炭，比电容量仅为84F/g。模板法可以制备比表面积大、孔结构可控的多孔碳材料，但是其制备工艺复杂、生产成本又高，短期内很难实现商业化应用。为了寻找一种简单、高效的方法制备高比电容量的多孔碳材料，科研工作者们投入了巨大的时间和精力，并且取得了一些进展。磷掺杂多孔碳材料被证明可以大大提高其 t匕电容量。据报道，以聚丙烯腈和磷酸为前驱体，采用静电纺丝的方法制备了高比电容的氮/磷共掺杂碳材料，其在硫酸电解液中比电容量达至Ij 224.9F/g。 据报道，以葡萄糖和磷酸铵为前驱体，制备了氮/磷共掺杂多孔碳材料，其在氢氧化钾电解液中比电容量为183.8F/g。然而，上述第一种制备方法成本高，第二种制备方法制备的多孔碳材料比电容量较低。
技术实现思路
本专利技术就是为了解决现有材料成本高、比电容量较低的技术问题，提供一种工艺简单、成本低廉的。为此，本专利技术提供一种超级电容器用磷掺杂多孔碳材料，其含有碳元素65?98wt%、氧元素1.5?23wt%以及磷元素0.5?12wt%。本专利技术同时提供一种超级电容器用磷掺杂多孔碳材料的制备方法，其包括如下步骤:(I)将碳水化合物和无机酸按质量比I?10分别加入去离子水中，去离子水的用量为碳水化合物的2?5倍，然后以100?500r/min的搅拌速率搅拌I?5小时；(2)将步骤Cl)得到的混合溶液置于温度为100?200°C的鼓风干燥箱中预反应12?48小时，得到固体混合物；(3)将步骤(2)得到的预反应产物置于高温炭化炉中，在氮气气氛下，以I?10°c /min的升温速率将温度上升至700?900°C，恒温碳化0.5?5小时，然后自然冷却至室温，制得磷掺杂多孔碳材料。优选地，步骤(I)的无机酸为磷酸或者磷酸和硫酸的一种组合。优选地，步骤(I)的碳水化合物为葡萄糖、蔗糖和果糖的一种或多种组合。本专利技术按如下步骤将制备的磷掺杂多孔碳材料制成电极，并进行电化学性能测试:将磷掺杂多孔碳材料(80wt%)、导电炭黑Super-P (10wt%)和聚偏氟乙烯(10wt%)通过研钵研磨方式充分混合均匀，然后加入50倍于聚偏氟乙烯质量的N-甲基吡咯烷酮中，充分搅拌均匀成糊状。采用钼片作为集流体，把上述混合好的材料均匀涂在钼片表面，将制作好的极片在120°C真空干燥12小时，然后将干燥好的极片在lmol/L H2SO4电解液中浸泡24小时。以钼电极为对电极、Ag/AgCl为参比电极，采用三电极测试方法在-0.1?0.9V电压范围下，在lmol/L H2SO4溶液中、在不同的电流密度下进行循环测试，并计算出单位电容值。本专利技术制备的多孔碳材料比电容量不依赖于孔结构，只与比表面积和磷含量有关。通过合理的成分配比可以调节多孔碳材料比表面积大小和含磷量的多少，从而制备出高比表面积、高比电容量的磷掺杂多孔碳材料。本专利技术制备工艺简单、环境友好、成本低廉，易实现工业化生产和商业化应用。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术实施例2制备的磷掺杂多孔碳材料的扫描电镜照片；图2是专利技术实施例1、实施例2和实施例3制备的磷掺杂多孔碳材料在不同电流密度下的倍率性能曲线。【具体实施方式】下面结合附图和本专利技术的制备方法对本专利技术所制备的磷掺杂多孔碳材料作进一步描述:实施例1将2g葡萄糖、Ig磷酸和0.2g硫酸分别加入5g去离子水中，然后以100r/min搅拌5小时。将均一的混合溶液置于温度为100°C的鼓风干燥箱中预反应48小时，得到固体混合物。将预反应产物置于高温炭化炉中，在氮气气氛下，以7V /min的升温速率将温度上升至800°C，恒温碳化0.5小时，然后自然冷却至室温，制得磷掺杂多孔碳材料。将磷掺杂多孔碳材料(80wt%)、导电炭黑Super-P (10wt%)和聚偏氟乙烯(10wt%)通过研钵研磨方式充分混合均匀，然后加入50倍于聚偏氟乙烯质量的N-甲基吡咯烷酮中，充分搅拌均匀成糊状。采用钼片作为集流体，把上述混合好的材料均匀涂在集流体钼片表面，将制作好的极片在120°C真空干燥12小时，然后将干燥好的极片在lmol/L H2SO4电解液中浸泡24小时。以钼电极为对电极、Ag/AgCl为参比电极，采用三电极测试方法在-0.1?0.9V电压范围下，在lmol/L H2SO4溶液中、在不同的电流密度下进行循环测试，该磷掺杂多孔碳材料在放电电流密度0.lA/g下比电容量为256F/g，电流密度为ΙΟΑ/g下比电容量为143F/g。实施例2将2g葡萄糖、lg磷酸和lg硫酸分别加入10g去离子水中，然后以500r/min搅拌1小时。将均一的混合溶液置于温度为150°C的鼓风干燥箱中预反应24小时，得到固体混合物。将预反应产物置于高温炭化炉中，在氮气气氛下，以5°C /min的升温速率将温度上升至800°C，恒温碳化1小时，然后自然冷却至室温，制得磷掺杂多孔碳材料。将磷掺杂多孔碳材料(80wt%)、导电炭黑Super-P (10wt%)和聚偏氟乙烯(10wt%)通过研钵研磨方式充分混合均匀，然后加入50倍于聚偏氟乙烯质量的N-甲基吡咯烷酮中，充分搅拌均匀成糊状。采用钼片作为集流体，把上述混合好的材料均匀涂在集流体钼片表面，将制作好的极片在120°C真空干燥12小时，然后将干燥好的极片在lmol/L H2S04电解液中浸泡24小时。以钼电极为对电极、Ag/AgCl为参比电极，采用三电极测试方法在-0.1?0.9V电压范围下，在lmol/L H2S04溶液中、在不同的电流密度下进行循环测试，该磷掺杂多孔碳材料在放电电流密度0.lA/g下比电容量为320F/g，电流密度为ΙΟΑ/g下比电容量为189F/g。实施例3将2g果糖、0.5g磷酸和lg硫酸分别加入10g去离子水中，然后以300r/min搅拌3小时。将均一的混合溶液置于温度为200°C的鼓风干燥箱中预反应12小时，得到固体混合物。将预反应产物置于高温炭化炉中，在氮气气氛下，以10°C /min的升温速率将温度上升至800°C，恒温碳化2小时，然后自然冷却至室温，制得磷掺杂多孔碳材料。将磷掺杂多孔碳材料(80wt%)、导电炭黑Super-P (1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超级电容器用磷掺杂多孔碳材料，其特征是所述的磷掺杂多孔碳材料含有碳元素65～98wt%、氧元素1.5～23wt%以及磷元素0.5～12wt%。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于运花，晏晓东，杨小平，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11