基于二氧化硅的高比容量超级电容器电极材料及制备方法

技术领域

本发明涉及纳米材料制备及能源存储技术领域，具体涉及基于二氧化硅的高比容量超级电容器电极材料及制备方法。

背景技术

近年来，为了实现可持续发展理念，能源存储技术得到不断发展。超级电容器(Supercapacitors，SCs)作为一种可以替代二次电池的新型储能器件被研发出来并迅速成为研究热点。和传统的电容器相比，超级电容器具有更高的比容量和能量密度。和二次电池相比，又具有较高的功率密度。

超级电容器一般由正极、负极、电解质及隔膜构成，其比容量主要取决于电极材料的比容量。常见的电极材料包括四类：1.碳材料类：包括活性炭材料、多孔碳材料、碳纳米管(CNT)、石墨烯(GR)及碳纤维(CF)等。这类电极材料主要是利用其高的比表面积而基于双电层原理储能。一般比容量最高可以达到100F g

发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，获得具有高比容量的超级电容器电极材料，特提供基于二氧化硅的高比容量超级电容器电极材料及制备方法，用于提高电极材料的导电率和库伦效率。

本发明通过如下方案解决上述技术问题：

基于二氧化硅的高比容量超级电容器电极材料，包括有羧基化的碳纳米管，羧基化的碳纳米管表面覆盖有纳米SiO

其中，纳米碳壳由包覆在纳米SiO

基于二氧化硅的高比容量超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤；

(1)前驱体的制备：将羧基化的碳纳米管分散到乙醇水溶液中，反复超声和搅拌，使得羧基化的碳纳米管分散均匀，向混合溶液中加入氨水并在室温下搅拌均匀，再向其中逐滴缓慢滴加正硅酸四乙酯，在恒温条件下水浴搅拌，向上述混合溶液中加入间苯二酚和甲醛以合成酚醛树脂，保持恒温搅拌2-5h，最后清洗并收集产物；

(2)前驱体的碳化：将步骤(1)得到的产物转入到管式炉中，以氮气为保护气氛，在高温下碳化2-4h，即制备得到高导电性和高比容量的二氧化硅基杂化超级电容器电极材料。

其中，步骤(1)中的恒温水浴搅拌的温度设置为30-60℃。

其中，步骤(1)中的恒温水浴搅拌的时间设置为20-40min。

其中，步骤(1)中的羧基化的碳纳米管的质量为酚醛树脂质量的1-10％。

其中，步骤(2)中的管式炉中碳化温度设置为700-1000℃。

作为优选的技术方案，步骤(1)的具体步骤为：向100ml的95％乙醇中加入60mg的羧基化的碳纳米管，反复超声4次得到直至形成稳定的悬浮液，再向其中加入氨水调节pH并在室温下搅拌至溶液均匀，之后将正硅酸四乙酯缓慢滴入上述混合溶液中，在45℃恒温条件下水浴搅拌25min。再加入间苯二酚和甲醛以合成酚醛树脂，45℃恒温搅拌3h，最后清洗并收集产物。

作为优选的技术方案，步骤(1)的具体步骤为：向90ml的无水乙醇以及10ml去离子水的混合溶液中加入30mg的羧基化的碳纳米管，反复超声4次得到直至形成稳定的悬浮液，再向其中氨水调节pH并在室温下搅拌均匀，之后向其中逐滴缓慢滴加正硅酸四乙酯，在55℃恒温条件下水浴搅拌25min。再加入间苯二酚和甲醛以合成酚醛树脂，45℃恒温搅拌2h，最后清洗并收集产物。

作为优选的技术方案，步骤(1)的具体步骤为：向97.5ml的无水乙醇以及2.5ml去离子水的混合溶液中加入30mg的羧基化的碳纳米管，反复超声4次得到直至形成稳定的悬浮液，再加入氨水调节pH并在室温下搅拌均匀，之后向其中逐滴缓慢滴加正硅酸四乙酯，在35℃恒温条件下水浴搅拌40min，再加入间苯二酚和甲醛以合成酚醛树脂，45℃恒温搅拌4h，最后清洗并收集产物。

本发明能够实现的有益技术效果至少包括：

(1)本发明通过正硅酸四乙酯的水解制备出纳米SiO

(2)粒径较小且包覆纳米碳壳的纳米SiO

(3)通过在纳米SiO

(4)添加的碳纳米管(CNT)相当于桥梁，使得纳米SiO

附图说明

图1为本发明C-SiO

图2为本发明实施例1中制备的C-SiO

图3为本发明实施例1中制备的C-SiO

图4为本发明实施例1中制备的C-SiO

具体实施方式

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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。

实施例1

基于二氧化硅的高比容量超级电容器电极材料，包括有羧基化的碳纳米管，羧基化的碳纳米管表面覆盖有纳米SiO

请参见图1所示，基于二氧化硅的高比容量超级电容器电极材料的制备方法，具体包括有以下步骤：

向100ml的95％乙醇中加入60mg的羧基化的碳纳米管，反复超声4次得到直至形成稳定的悬浮液，再向其中加入氨水调节pH并在室温下搅拌至溶液均匀，之后将正硅酸四乙酯缓慢滴入上述混合溶液中，在45℃恒温条件下水浴搅拌25min。再加入间苯二酚和甲醛用于合成酚醛树脂，羧基化的碳纳米管的质量为酚醛树脂质量的10％，45℃恒温搅拌3h，最后清洗并收集产物，将产物在管式炉中，以氮气为保护气氛，900℃碳化3h，最终制备得到高导电性和高比容量的二氧化硅基杂化超级电容器电极材料。

将制备得到的高导电性和高比容量的二氧化硅基杂化超级电容器电极材料通过扫描电镜和透射电镜进行形貌分析，具体结果参见图2和图3所示，并对二氧化硅基杂化超级电容器电极材料进行电化学性能测试，电化学性能测试图具体参见图4所示。

实施例2

基于二氧化硅的高比容量超级电容器电极材料，包括有羧基化的碳纳米管，羧基化的碳纳米管表面覆盖有纳米SiO

请参见图1所示，基于二氧化硅的高比容量超级电容器电极材料的制备方法，具体包括有以下步骤：

向90ml的无水乙醇以及10ml去离子水的混合溶液中加入30mg的羧基化的碳纳米管，反复超声4次得到直至形成稳定的悬浮液，再向其中氨水调节pH并在室温下搅拌均匀，之后向其中逐滴缓慢滴加正硅酸四乙酯，在55℃恒温条件下水浴搅拌25min，再加入间苯二酚和甲醛用于合成酚醛树脂，羧基化的碳纳米管的质量为酚醛树脂质量的5％，45℃恒温搅拌2h，最后清洗并收集产物，将产物在管式炉中，以氮气为保护气氛，800℃碳化3h，最终制备得到高导电性和高比容量的二氧化硅基杂化超级电容器电极材料。

实施例3

基于二氧化硅的高比容量超级电容器电极材料，包括有羧基化的碳纳米管，羧基化的碳纳米管表面覆盖有纳米SiO

请参见图1所示，基于二氧化硅的高比容量超级电容器电极材料的制备方法，具体包括有以下步骤：

向97.5ml的无水乙醇以及2.5ml去离子水的混合溶液中加入30mg的羧基化的碳纳米管，再加入氨水调节pH并在室温下搅拌均匀，之后向其中逐滴缓慢滴加正硅酸四乙酯，在35℃恒温条件下水浴搅拌40min，再加入间苯二酚和甲醛用于合成酚醛树脂，羧基化的碳纳米管的质量为酚醛树脂质量的3％，45℃恒温搅拌4h，最后清洗并收集产物，将产物在管式炉中以氮气为保护气氛，700℃碳化4h，最终制备得到高导电性和高比容量的二氧化硅基杂化超级电容器电极材料。

在本发明中，通过正硅酸四乙酯的水解制备出纳米SiO

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。