一种基于生物蛋白基掺氮多孔炭材料的高能量密度超级电容器的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明提供了一种基于生物蛋白基掺氮多孔炭材料的高能量密度超级电容器的制备方法，属于电化学领域。
【背景技术】
[0002]随着化石资源的消耗和资源日渐短缺的今天，人类迫切需要高效、清洁、可持续的能源，以及与之相关的能量转换与储存新技术。因此各种新能源技术以及可再生的新能源技术是至关重要。目前市场上的镍镉、镍氢、铅酸、锂离子电池等器件的共同缺点是功率密度低，充电时间长。难以满足高功率密度的应用领域，因此人们期待一种兼具高功率密度、高能量密度新型绿色储能器件的出现。
[0003]超级电容器，它是一种介于充电电池和传统电容器之间的新型储能装置。它具有充放电速度快、循环寿命长、效率高、安全性高等特点，被视为本世纪最有希望的新型绿色能源，它很好地弥补了电池和燃料电池功率低储能密度小的缺点，在电动汽车、移动通讯、信息技术、航空航天和国防科技等领域的不断应用，各国纷纷制定出超级电容器的发展计划，将其列为国家重点的战略研宄对象。特别是纯电动汽车的出现，大功率高能量密度的超级电容器更显示了其前所未有的应用前景。
[0004]电极材料是决定电化学电容器性能的关键因素，目前活性炭(尤其是高比表面积活性炭)是最常用的电极材料，但是目前商用的活性炭其单位比表面积利用率低，可能的原因是过小的微孔不利于电解液的浸润也无法吸附电荷，不利于双电层的形成，影响电容器的能量密度和功率密度。另外，单纯依靠物理吸附的电容容量有限，因此，在开发高比表面积活性炭材料的同时还需要考虑以下特征:①对炭材料的孔径分布进行合理控制，②对炭材料进行恰当的掺杂原子，不仅能提高碳材料的浸润性，而且氮元素提供的赝电容也会增加额外的容量。
[0005]生物蛋白不仅资源丰富，而且属于可再生资源。生物蛋白基掺氮的多孔炭材料不仅比表面积高、表面的浸润性好、导电性高、孔径分布可调、而且氮元素等杂原子的含量可控，是一种理想的超级电容器电极材料。生物蛋白基掺氮的多孔炭材料作为高能量密度的超级电容器电极材料有以下优点:1.生物蛋白基多孔炭具有环境友好型和可再生的优势；2.较高表面积(约2500m2/g)提供丰富的活性位点，超级电容器的能量密度高；3.分级多孔的结构，可适用于各种电解液体系，分级结构为离子提供快速的通道，倍率充放电基本无衰减；4.生物蛋白基掺氮的多孔炭材料作为电极材料，组装成的超级电容器具有较小的等效串联电阻、低的时间常数、以及在高倍率下充放电具有高能量密度(功率密度122.3W/kg,能量密度102Wh/kg)等。
[0006]本发明所述的一种基于生物蛋白基掺氮多孔炭材料的高能量密度超级电容器的制备方法，该方法包括如下步骤:
[0007]步骤一:将不同生物蛋白基掺氮多孔炭材料(活性物质)、导电剂和粘结剂，按88:8:4的比例，加蒸馏水和乙醇混合搅拌制成浆料，然后碾压浆料得到的片状电极材料，该电极材料放在相应大小的集流体上，15兆帕冷压45s，然后140°C下烘干，得到超级电容器的电极极片，其中电极材料大于12mg/cm2。
[0008]步骤二:将隔膜的两边放入电极极片，组装成隔膜为中心的“三明治”结构，在不同的电解液中进行电化学性能测试。
[0009]本发明所述的本发明提供了一种基于生物蛋白基掺氮多孔炭材料的高能量密度超级电容器的制备方法。采用交流阻抗法(CHI660D电化学工作站)、恒流充放电法、循环伏安法、对超级电容器器件的性能进行测试表征。组装成超级电容器器件具有优越的电化学表现，即具有高的容量、良好的充放电效率和低的等效串联电阻。因此，生物蛋白基掺氮多孔炭是良好超级电容器器件的电极材料。
[0010]有益效果:
[0011]1、本发明为本发明提供了一种基于生物蛋白基掺氮多孔炭材料的高能量密度超级电容器的制备方法，工艺过程简单，易于工业化实现；
[0012]2、本发明提供了良好的倍率性能的超级电容器器件，例如:在水系电解液中，电流密度 1A g-1 和 100A 可达到 255F g 气和 178F g_1；
[0013]3、本发明提供了高能量密度的超级电容器器件，例如:在离子液体体系电解液中，在功率密度为122.3ff kg—1时能量密度为102Wh kg—1。
【附图说明】
[0014]图1为本发明用生物蛋白基掺氮多孔炭电极电极材料组装的二电极体系的超级电容器器件的循环伏安图(离子液体电解液)。
[0015]图2为本发明用生物蛋白基掺氮多孔炭电极电极材料组装的二电极体系的超级电容器器件的不同倍率恒流充放电图(离子液体电解液)。
[0016]图3为本发明用生物蛋白基掺氮多孔炭电极电极材料组装的二电极体系的超级电容器器件的不同倍率的比电容图(离子液体电解液)。
[0017]图4为本发明用生物蛋白基掺氮多孔炭电极电极材料组装的二电极体系的超级电容器器件的交流阻抗图(离子液体电解液)。
[0018]图5为本发明用生物蛋白基掺氮多孔炭电极电极材料组装的二电极体系的超级电容器器件的不同倍率比容量图(离子液体电解液)。
[0019]图6为本发明用生物蛋白基掺氮多孔炭电极电极材料组装的二电极体系的超级电容器器件的循环性能图(离子液体电解液)。
[0020]
[0021]
[0022]下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
【具体实施方式】
[0023]实施例1
[0024]将制备的比表面积为2490m2/g，氣兀素的含量为4.7%的丝素蛋白基多孔炭制备的超级电容器器件，组装二电极体系，在离子液体电解液EMMBF4中进行测试。
[0025]步骤一:将丝素蛋白基掺氮多孔炭材料(活性物质)、导电剂和粘结剂，按88:8:4的比例，加蒸馏水和乙醇混合搅拌制成浆料，然后碾压浆料得到的片状电极材料，该电极材料放在相应大小的集流体上，15兆帕冷压45s，然后140°C下烘干，得到超级电容器的电极极片，其中电极材料大于12mg/cm2。
[0026]步骤二:将隔膜的两边放入电极极片，组装成隔膜为中心的“三明治”结构，在EMIMBF4电解液中进行电化学性能测试。
[0027]实施例2
[0028]将制备的比表面积为2290m2/g，氣兀素的含量为5.9%的蛋清蛋白基多孔炭制备的超级电容器器件，组装二电极体系，在离子液体电解液EMMBF4中进行测试。
[0029]步骤一:将蛋清蛋白基掺氮多孔炭材料(活性物质)、导电剂和粘结剂，按88:8:4的比例，加蒸馏水和乙醇混合搅拌制成浆料，然后碾压浆料得到的片状电极材料，该电极材料放在相应大小的集流体上，15兆帕冷压45s，然后140°C下烘干，得到超级电容器的电极极片，其中电极材料大于12mg/cm2。
[0030]步骤二:将隔膜的两边放入电极极片，组装成隔膜为中心的“三明治”结构，在EMIMBF4电解液中进行电化学性能测试。
[0031]实施例3
[0032]将制备的比表面积为1995m2/g，氣兀素的含量为5.9%的大?蛋白基多孔炭制备的超级电容器器件，组装二电极体系，在离子液体电解液EMMBF4中进行测试。
[0033]步骤一:将大豆蛋白基掺氮多孔炭材料(活性物质)、导电剂和粘结剂，按88:8:4的比例，加蒸馏水和乙醇混合搅拌制成浆料，然后碾压浆料得到的片状电极材料，该电极材料放在相应大小的集流体上，15兆帕冷压45s，然后140°C下烘干，得到超级电容器的电极极片，其中电极材料大于12mg/cm2。
[0034]步骤二:将隔膜的两边放入电极极片，组装成隔膜为中心的“三明治”结构，在EMIMBF4电解液中进行电化学性能测试。
[0035]实施例4
[0036]将制备的比表面积为2490m2/g，氣兀素的含量为4.7%的丝素蛋白基多孔炭制备的超级电容器器件，组装二电极体系，在BMM BF4AN(乙腈)比例为1:1中进行测试。
[0037]步骤一:将丝素蛋白基掺氮多孔炭材料(活性物质)、导电剂和粘结剂，按88:8:4的比例，加蒸馏水和乙醇混合搅拌制成浆料，然后碾压浆料得到的片状电极材料，该电极材料放在相应大小的集流体上，15兆帕冷压45s，然后140°C下烘干，得到超级电容器的电极极片，其中电极材料大于12mg/cm2。
[0038]步骤二:将隔膜的两边放入电极极片，组装成隔膜为中心的“三明治”结构，在EMIMBF4电解液中进行电化学性能测试。
[0039]实施例5
[0040]将制备的比表面积为2290m2/g，氣兀素的含量为5.9%的蛋清蛋白基多孔炭制备的超级电容器器件，组装二电极体系，在BMM BF4AN(乙腈)比例为1:1中进行测试。
[0041]步骤一:将蛋清蛋白基掺氮多孔炭材料(活性物质)、导电剂和粘结剂，按88:8:4的比例，加蒸馏水和乙醇混合搅拌制成浆料，然后碾压浆料得到的片状电极材料，该电极材料放在相应大小的集流体上，15兆帕冷压45s，然后140°C下烘干，得到超级电容器的电极极片，其中电极材料大于12mg/cm2。
[0042]步骤二:将隔膜的两边放入电极极片，组装成隔膜为中心的“三明治”结构，在EMIMBF4电解液中进行电化学性能测试。
[0043]实施例6
[0044]将制备的比表面积为1995m2/g，氣兀素的含量为5.9%的大?蛋白基多孔炭制备的超级电容器器件，组装二电极体系，在BMM BF4AN(乙腈)比例为1:1中进行测试。
[0045]步骤一:将大豆蛋白基掺氮多孔炭材料(活性物质)、导电剂和粘结剂，按88:8:4的比例，加蒸馏水和乙醇混合搅拌制成浆料，然后碾压浆料得到的片状电极材料，该电极材料放在相应大小的集流体上，15兆帕冷压45s，然后140°C下烘干，得到超级电容器的电极极片，其中电极材料大于12mg/cm2。
[0046]步骤二:将隔膜的两边放入电极极片，组装成隔膜为中心的“三明治”结构，在EMIMBF4电解液中进行电化学性能测试。
[0047]实施例7
[0048]将制备的比表面积为2490m2/g，氣兀素的含量为4.7%的丝素蛋白基多孔炭制备的超级电容器器件，组装二电极体系，在7M KOH的电解液中进行测试。
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