基于碳纤维的高比容量超级电容器电极材料及制备方法

技术领域

本发明属于能源储存技术领域，尤其涉及其涉及基于碳纤维的高比容量超级电容器电极材料及制备方法。

背景技术

超级电容器(Supercapacitors，SCs)是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型电化学储能装置，一直备受关注且极具应用前景。和传统的电容器相比，它具有较大的比容量。和一般的二次电池相比，SCs具有更高的能量密度，更宽的工作温度范围以及更长的使用寿命。

在现有的研究报道中，为了实现SC体积小、柔韧性好等特点，研究人员一般选用纳米碳材料纤维(如碳纳米管纤维、石墨烯纤维及碳纤维(CF))或金属丝(如镍丝)等作为基体，并对其活化或者负载其他电化学活性物质进而制备出SC电极。有的文献报道了以纳米碳材料纤维作为基体并在上面负载电化学活性更高的纳米碳材料颗粒，例如复旦大学的彭慧胜教授课题组开发了一种以有序MWCNT(多壁碳纳米管)/OMC(有序介孔碳)复合纤维材料作为SC电极(Flexible and weaveable capacitor wire based on a carbonnanocomposite fiber.Advanced Materials.2013；25(41):5965-70)。以制备的MWCNT作为基体并将其浸润OMC分散液，干燥后卷曲成直径为数十微米的纤维，并通过缠绕的方式将两根电极组装成了纤维状SC。这种通过浸泡的方式将OMC负载在MWCNT上，将MWCNT的骨架之间并将其互相连接起来，一定程度上增加了导电通路进而有利于快速的离子传输。但这样的负载方式会导致OMC颗粒分布不均匀且容易脱落，使得组装成的SC均一性和循环稳定性较差。还有的文献报道了以纳米碳材料作为基体，在外包覆一层赝电容电化学活性材料，例如Wei等人通过湿纺技术制备出石墨烯纤维后，之后通过浸泡将聚苯胺(PANI)引入相邻的石墨烯片的间隙中沉积制备出杂化纤维状电极，将两根制备好的杂化电极平行排列，然后覆盖PVA-H

发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足、获得高比容量的纤维状电容器，特提供了基于碳纤维的高比容量超级电容器电极材料及制备方法。

本发明通过如下方案解决上述技术问题：

基于碳纤维的高比容量超级电容器电极材料，超级电容器电极材料仅为碳纤维而没有负载其他电化学活性材料，碳纤维进行一步焦耳热自活化过程后制备成超级电容器电极。

其中，焦耳热自活化过程为：在碳纤维两端通电，碳纤维由于自身电阻而产生的热量，使碳纤维升温并在碳纤维表面烧蚀出更多的电化学活性位点，以达到增加材料电容的目的。

其中，超级电容器包括但不限定于一般的平板状超级电容器及纤维状超级电容器。

基于碳纤维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)碳纤维的预处理：取准确称量好的碳纤维并放入管式炉内，以惰性气体作为保护气氛，在100-500℃的温度范围下保温1-5h以去碳纤维除表面的胶；

(2)碳纤维的焦耳热自活化：将预处理后的碳纤维两端粘在金属箔上并接入直流电源，在恒压状态下通电即得到了基于高比容量的焦耳热自活化碳纤维的超级电容器电极材料。

其中，步骤(2)中所述的焦耳热自活化时的通电电压和时间并不限于某一特定的数值。

其中，可根据具体需求选择不同数目(单根-多根)的焦耳热自活化后的碳纤维作为电极。

作为优选的技术方案，步骤(2)的具体步骤为：将预处理后的两股长度为4cm、宽度为2.5mm碳纤维两端用导电银胶粘在0.05mm厚的铜箔上并接入直流电源，在7V恒压状态下通电15min，即得到了高比容量的焦耳热自活化碳纤维超级电容器电极材料。

作为优选的技术方案，步骤(2)的具体步骤为：将预处理后的两根长度为4cm的碳纤维两端用导电银胶粘在0.05mm厚的铜箔上并接入直流电源，在50V恒压状态下通电40min，即得到了高比容量的焦耳热自活化碳纤维超级电容器电极材料。

作为优选的技术方案，步骤(2)的具体步骤为：将预处理后的两片长度为4cm、宽度为1cm的碳纤维布两端用导电银胶粘在0.05mm厚的铜箔上并接入直流电源，在3V恒压状态下通电1min，即得到了高比容量的焦耳热自活化碳纤维超级电容器电极材料。

本发明能够实现的有益技术效果至少包括：本发明制备得到的超级电容器电极材料相对于其他超级电容器电极材料的制备过程，本发明在电极的制备过程中并未在基体纤维上引入其他活性材料也没有对基体纤维采用很复杂的活化过程，仅仅通过对碳纤维(CF)的一步“焦耳热自活化”，增加了碳纤维(CF)的电化学活性位点，大大提高了其比电容，相对于已报道的那些采用复杂活化过程来制备超级电容器电极的工作，本发明活化过程简单，成本低，且电容提升效果明显，适合大规模制备，且活化过程中不会引入有毒有害的物质，对环境又好，符合绿色发展的理念，“焦耳热”属于自发热过程，与传统炉子加热的方法相比，具有升、降温速度快及保温时间短的特点，会大大减少能耗。

附图说明

图1为本发明实施例1中碳纤维焦耳热自活化过程示意图。

图2为本发明实施例1中平行式纤维状超级电容器电极组装示意图。

图3为本发明实施例1中焦耳热自活化后碳纤维的扫描电镜形貌图。

图4为本发明实施例1中焦耳热自活化后碳纤维电极的电化学性能示意图。

图5为本发明实施例1中组装成的平行式纤维状超级电容器电极的电化学性能示意图。

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

基于碳纤维的高比容量超级电容器电极材料，超级电容器电极材料仅为碳纤维而没有负载其他电化学活性材料，碳纤维进行一步焦耳热自活化过程后制备成超级电容器电极，焦耳热自活化过程为：在碳纤维两端通电，碳纤维由于自身电阻而产生的热量，使碳纤维升温并在碳纤维表面烧蚀出更多的电化学活性位点，以达到增加材料电容的目的，超级电容器包括但不限定于一般的平板状超级电容器及纤维状超级电容器。

基于碳纤维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：

首先用剪刀在碳纤维布上取长度为4cm、宽度为2.5mm的两股碳纤维束，之后将其放入管式炉，在氮气气氛下300℃保温2h以去除表面的胶，用导电银胶分别将两股碳纤维两端与铜箔连接后接入直流电源，在7V恒压下通电进行焦耳热自活化15min后即完成电极的制备工作，具体参见图1所示，之后用胶头滴管将制备好的PVA-H

在碳纤维两端通电，碳纤维由于自身电阻而产生的热量，使碳纤维升温并在碳纤维表面烧蚀出更多的电化学活性位点，具体参见图3所示。

对焦耳热自活化后的碳纤维进行电化学性能测试，电化学性能图具体参见图4所示，对制得平行式纤维状超级电容器电极材料进行电化学性能测试，电化学性能图具体参见图5所示。

实施例2

基于碳纤维的高比容量超级电容器电极材料，超级电容器电极材料仅为碳纤维而没有负载其他电化学活性材料，碳纤维进行一步焦耳热自活化过程后制备成超级电容器电极，焦耳热自活化过程为：在碳纤维两端通电，碳纤维由于自身电阻而产生的热量，使碳纤维升温并在碳纤维表面烧蚀出更多的电化学活性位点，以达到增加材料电容的目的，超级电容器包括但不限定于一般的平板状超级电容器及纤维状超级电容器。

基于碳纤维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：

首先用剪刀在碳纤维布上取长度为4cm、宽度为2.5mm的两股碳纤维束，之后将其放入管式炉，在氮气气氛下500℃保温2h以去除表面的胶，再用镊子分别挑出两根碳纤维并用导电银胶分别将两根碳纤维两端与铜箔连接后接入直流电源，在50V恒压下通电进行焦耳热自活化40min后即完成电极的制备工作，之后用胶头滴管将制备好的PVA-H

实施例3

基于碳纤维的高比容量超级电容器电极材料，超级电容器电极材料仅为碳纤维而没有负载其他电化学活性材料，碳纤维进行一步焦耳热自活化过程后制备成超级电容器电极，，焦耳热自活化过程为：在碳纤维两端通电，碳纤维由于自身电阻而产生的热量，使碳纤维升温并在碳纤维表面烧蚀出更多的电化学活性位点，以达到增加材料电容的目的，超级电容器包括但不限定于一般的平板状超级电容器及纤维状超级电容器。

基于碳纤维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：

首先用剪刀在碳纤维布上取长度为4cm、宽度为1cm的两片碳纤维布，之后将其放入管式炉，在氮气气氛下200℃保温4h以去除表面的胶，用导电银胶将两片碳纤维布的两端与铜箔连接后接入直流电源，在3V恒压下通电进行焦耳热自活化1min后即完成电极的制备工作，之后用胶头滴管将制备好的PVA-KOH凝胶态电解质均匀的滴到电极上并抽真空，使得电解质完全接触到每一根纤维。最后将两片碳纤维布平行排列，并将PVA-KOH均匀的涂覆在两片纤维布之间，即制备得到平板状超级电容器电极。

相对于其他超级电容器电极材料的制备过程，本发明在电极的制备过程中并未在基体纤维上引入其他活性材料也没有对基体纤维采用很复杂的活化过程，仅仅通过对碳纤维(CF)一步“焦耳热自活化”，增加了碳纤维(CF)的电化学活性位点，大大提高了其比电容，相对于已报道的那些采用复杂活化过程来制备超级电容器电极的工作，本发明活化过程简单，成本低，且电容提升效果明显，适合大规模制备，且活化过程中不会引入有毒有害的物质，对环境又好，符合绿色发展的理念，“焦耳热”属于自发热过程，与传统炉子加热的方法相比，具有升、降温速度快及保温时间短的特点，会大大减少能耗。

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。