專利名稱：：一種負(fù)載過渡金屬的活性炭電極材料的制備方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于材料科學(xué)和電化學(xué)科學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種負(fù)載過渡金屬的活性炭電極材料的制備方法及其應(yīng)用。技術(shù)背景隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類生活環(huán)境的提高，對(duì)能源的要求也越來越多樣化，也要求儲(chǔ)能設(shè)備具有更高的能量密度和功率密度，來替代或者輔助當(dāng)前使用的能源裝置，電化學(xué)電容器作為一種能量密度和功率密度介于傳統(tǒng)電容器與電池之間的新型儲(chǔ)能器件，引起廣泛的關(guān)注和研究。電化學(xué)電容器有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)電容器相比，容量密度大得多，比同體積電解電容器容量大20006000倍；與電池相比，功率密度高得多，可作為功率輔助器，供給大電流；充放電效率高，超長(zhǎng)壽命，充放電大于40萬次；溫度范圍較寬，免維護(hù)，環(huán)境友好等特點(diǎn)。電化學(xué)電容器按儲(chǔ)能原理可以分為兩類雙電層電容器(Electricdoublelayercapacitor)和贗電容器(Pseudocapacitor),雙電層電容器是利用多孔材料表面和電解質(zhì)之間形成的雙電層電容來存儲(chǔ)能量的，贗電容器又叫法拉第準(zhǔn)電容器是指在電極表面或者體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附/脫附或氧化/還原反應(yīng)。電化學(xué)電容器研究的電極材料主要有三類炭基材料、金屬氧化物材料以及導(dǎo)電聚合物材料?；钚蕴坎牧弦云滟Y源豐富，價(jià)格低廉，吸附性能優(yōu)異，生產(chǎn)工藝成熟，具有高的比表面積和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性在電化學(xué)電容器上得到了廣泛的商用。研究表明，活性炭材料的比表面積和孔徑結(jié)構(gòu)是決定電化學(xué)電容器性能的關(guān)鍵因素，用高比表面積(3000-4000m2/g)活性炭時(shí)，材料以小于2nm的微孔為主，由于擴(kuò)散阻力的影響，電解質(zhì)離子在極微小的孔內(nèi)部吸附與脫附受阻，難以形成有效的雙電層，使活性炭比表面積利用率降低，所以高比表面積活性炭，其比電容實(shí)際增量有限；用中孔活性炭作為電極材料，雖然比表面積的利用率較高，但其比表面積遠(yuǎn)低于高比表面積活性炭，因而雙電層儲(chǔ)能的能力也有限。為了進(jìn)一步提高炭材料的比電容，人們利用炭材料與金屬氧化物混合形成炭-金屬氧化物復(fù)合材料，通過雙電層電容和過渡金屬贗電容的共同作用，使復(fù)合材料的比電容明顯高于炭材料，大量文獻(xiàn)報(bào)道了通過物理混合方法，炭材料與Ru02、NiO、CoO、Mn02等過渡金屬氧化物制備復(fù)合材料，電容性能有所提高，特別是Ru02的效果最為明顯，但釕作為貴金屬材料，昂貴的價(jià)格限制了其應(yīng)用領(lǐng)域，在其它金屬氧化物的研究中發(fā)現(xiàn)氧化鎳表現(xiàn)出較高的比電容和穩(wěn)定的電化學(xué)性能，與物理混合方法相比，通過化學(xué)吸附改性修飾活性炭得到復(fù)合材料性能良好，至今為止，在國(guó)內(nèi)外研究中，利用化學(xué)改性使NiO和Ni共同作用修飾活性炭，并作為電化學(xué)電容器電極材料的研究討論尚無相關(guān)報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種負(fù)載過渡金屬的活性碳電極材料的制備方法及其應(yīng)用。本發(fā)明提出的負(fù)載過渡金屬的活性碳電極材料的制備方法，利用無機(jī)金屬鹽溶液浸漬法和高溫?zé)峤鈱?duì)活性炭進(jìn)行改性處理，該方法制備的改性活性炭提高了原材料比電容，且化學(xué)性能穩(wěn)定，作為電化學(xué)電容器電極材料有著廣泛的商用價(jià)值。本發(fā)明提出的負(fù)載過渡金屬的活性碳電極材料的制備方法，具體步驟如下配制濃度為O.5-10wty。的無機(jī)金屬鹽溶液，接著向其中加入活性炭，攪拌6-12小時(shí)，然后浸漬6-48小時(shí)，過濾，在100-15(TC溫度下干燥，將干燥后的產(chǎn)物置于管式爐中，在氮?dú)?、氬氣或氦氣等保護(hù)下，以10-30。C/min的升溫速率升到200-80(TC對(duì)混合物進(jìn)行熱處理，并在該溫度下反應(yīng)0.5-3小時(shí)，冷卻，即得所需產(chǎn)品；其中每100ml的無機(jī)金屬鹽溶液中活性炭的加入量為1-10克。本發(fā)明中，所述活性炭為粉末活性炭。本發(fā)明中，所述無機(jī)金屬鹽為Ni(N03)2。利用本發(fā)明方法制備得到的活性碳電極材料在電化學(xué)電容器中的應(yīng)用。采用浸漬法和熱分解法在活性炭中負(fù)載金屬NiO/Ni制備的電極材料，電化學(xué)電容器在充放電時(shí)既可以通過活性炭雙電層儲(chǔ)存電荷形成雙電層電容，也可利用過渡金屬氧化物NiO的氧化還原反應(yīng)儲(chǔ)存電荷形成準(zhǔn)電容，提高活性炭的總電容量，且負(fù)載的金屬原子Ni有利于提高電極材料的導(dǎo)電特性。本發(fā)明方法制備的負(fù)載過渡金屬NiO/Ni活性炭電極的比電容與原樣活性炭最高增加了42%。圖1為實(shí)施例1-實(shí)施例5所得產(chǎn)品的XRD譜圖。其中，曲線A為對(duì)比例的XRD譜圖，曲線B為實(shí)施例1的XRD譜圖，曲線C為實(shí)施例2的XRD譜圖，曲線D為實(shí)施例3的XRD譜圖，曲線E為實(shí)施例4的XRD譜圖，曲線F為實(shí)施例5的XRD譜圖。曲線E表明活性炭同時(shí)負(fù)載金屬氧化物NiO和金屬原子Ni。具體實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明。實(shí)施例卜5稱取適量Ni(N03)2，配制成濃度為2wt。/。的溶液，取上述溶液5份各100ml,每份加入5g活性炭粉末，攪拌12小時(shí)，然后室溫下浸漬24小時(shí)，過濾，并于12(TC溫度下干燥，將干燥后的樣品放入管式爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下以1(TC/min的升溫速率升到30(TC(實(shí)施例1)、40CTC(實(shí)施例2)、500。C(實(shí)施例3)、55(TC(實(shí)施例4)和60CTC(實(shí)施例5)對(duì)樣品進(jìn)行熱處理，并在對(duì)應(yīng)的溫度下恒溫2h，即制備得到所需產(chǎn)品。將所得的改性活性碳電極材料、石墨和聚四氟乙烯乳液按一定質(zhì)量比均勻混合、剪切攪拌，壓制成電極片，以KOH為電解液組裝成硬幣型電化學(xué)電容器。將組裝成模擬電容器進(jìn)行測(cè)試，在電流為5mA條件下，實(shí)施例1-5電極材料比電容為196.2、200.5、210.6、237.9和195.0F/g，原活性炭(對(duì)比例)比電容為167.2F/g，分別增加了17%、20%、26%、42%和17%。比電容性能參數(shù)具體見表1。表l制備活性炭電極材料的比電容性能參數(shù)炭樣質(zhì)量比電容(F/g)對(duì)比例實(shí)施例1實(shí)施例2實(shí)施例3實(shí)施例4實(shí)施例55(mA)167,2196.2200.5210.6237.9195.060(mA)142.6175.7176.6181.3217.2159.2實(shí)施例6-9稱取適量Ni(N03)2，分別配制成濃度為lwt%(實(shí)施例6)、2wt%(實(shí)施例7)、3wt%(實(shí)施例8)和5wt%(實(shí)施例9)溶液，取上述溶液各100ml，每份加入5g活性炭粉末，攪拌6小時(shí)，然后在室溫下浸漬24小時(shí)，過濾后于13(TC溫度下干燥，將干燥后的樣品放入管式爐中，在氬氣保護(hù)下以20'C/min的升溫速率升到55(TC對(duì)樣品進(jìn)行熱處理，并在相應(yīng)的溫度下恒溫處理2h，即得所需產(chǎn)品。將所得的改性活性碳電極材料、石墨和聚四氟乙烯乳液按一定質(zhì)量比均勻混合、剪切攪拌，壓制成電極片，以KOH為電解液組裝成硬幣型電化學(xué)電容器。將組裝成模擬電容器進(jìn)行測(cè)試，在電流為5mA條件下，濃度為1wt%、2wt%、3wt%和5wt。/。溶液改性的活性炭，比電容為205.6、237.9、193.4和188.8F/g,原活性炭比電容為167.2F/g，分別增加了23%、42%、16%和13%。比電容性能參數(shù)具體見表2。表2制備活性炭電極材料的比電容性能參數(shù)炭樣質(zhì)量比電容(F/g)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求1、一種負(fù)載過渡金屬的活性炭電極材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下配制濃度為0.5-10wt％的無機(jī)金屬鹽溶液，接著向其中加入活性炭，攪拌6-12小時(shí)，然后浸漬6-48小時(shí)，過濾，在100-150℃溫度下干燥，將干燥后的產(chǎn)物置于管式爐中，在氮?dú)狻鍤饣蚝獗Ｗo(hù)下，以10-30℃/min的升溫速率升到200-800℃對(duì)樣品進(jìn)行熱處理，并在該溫度下反應(yīng)0.5-3小時(shí)，冷卻，即得所需產(chǎn)品；其中每100ml的無機(jī)金屬鹽溶液中活性炭的加入量為1-10克。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的負(fù)載過渡金屬的活性碳電極材料的制備方法，其特征在于所述活性炭為粉末活性炭。3、根據(jù)權(quán)利要求l所述的負(fù)載過渡金屬的活性碳電極材料的制備方法，其特征在于所述無機(jī)金屬鹽為Ni(N03)2。4、一種如權(quán)利要求1所述方法制備得到的活性碳電極材料在電化學(xué)電容器中的應(yīng)用。全文摘要本發(fā)明屬于材料科學(xué)和電化學(xué)技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種負(fù)載過渡金屬的活性炭電極材料的制備方法及其應(yīng)用。具體步驟為以活性炭和無機(jī)金屬化合物為原料，將活性炭浸漬在無機(jī)金屬鹽水溶液中，攪拌，浸漬，過濾后干燥，在保護(hù)氣體條件下，200-800℃對(duì)樣品進(jìn)行熱處理，制得電化學(xué)電容器的電極材料。該方法制得的負(fù)載NiO/Ni活性炭材料在作為電化學(xué)電容器電極使用時(shí)比活性碳的比電容增加42％。該負(fù)載NiO/Ni活性炭材料具有制備簡(jiǎn)單，成本低廉，性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，是發(fā)展前景廣闊的一種電化學(xué)電容器電極材料。文檔編號(hào)H01G9/042GK101221854SQ20071017218公開日2008年7月16日申請(qǐng)日期2007年12月13日優(yōu)先權(quán)日2007年12月13日發(fā)明者劉亞菲,靜張,俊曾,靜楊,胡中華,陳曉妹申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)