一种碳包铜复合电极材料的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种碳包铜复合电极材料的制备方法。包括以下步骤：把洁净的铜高温氧化，得到具有发射状结构的纳米氧化铜线阵列；采用化学镀的方法在所得材料的表面镀上一层镍；采用浸渍的方法，在所得材料表面覆盖一层有机聚合物；将步骤3所得材料高温处理，使有机聚合物碳化，获得纳米碳包铜线阵列。本发明碳层包覆在纳米铜线表面，具有良好导电能力的纳米铜线均匀分布于碳材料中，导电能力强；在纳米铜线和碳层之间有一层镍，部分镍与铜在高温下形成合金，具有非常良好的化学稳定性；镍和碳之间具有很强的亲和力，电极的制备不需要粘接剂，能很好地解决目前碳材料电极存在的导电能力差、结构不稳定等问题。
【专利说明】
一种碳包铜复合电极材料的制备方法
技术领域
[0001 ]本发明属于纳米材料技术领域，特别涉及到具体一种超级电容器电极材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]超级电容器也称为电化学电容器，是通过静电作用进行电荷储存，将电解液中的离子可逆地吸附到高比表面积的材料中，目前主要采用的电极材料有碳材料和金属氧化物。对于碳材料的开发，活性炭是很好的电容器材料，其具有比表面积高，价格相对低廉等特点，但活性炭导电能力差，并且需要粘结剂对电极材料进行粘结，导致电极电阻增大。
【发明内容】
[0003]本发明目的在于提供一种复合电极材料的制备方法。该方法采用高温氧化和有机物碳化技术，操作简单，制备的碳包铜纳米线为阵列结构，具有较高的超级电容器功率密度和能量密度。
[0004]—种碳包铜复合电极材料的制备方法，包括以下步骤:
[0005]I)把洁净的铜高温氧化，得到CuO/Cu复合材料;所述CuO/Cu复合材料具有发射状结构的纳米氧化铜线阵列；
[0006]2)采用化学镀的方法在步骤I所得材料的表面镀上一层镍；
[0007]3)采用浸渍的方法，在步骤2所得材料表面覆盖一层有机聚合物；
[0008]4)将步骤3所得材料高温处理，使有机聚合物碳化，获得纳米碳包铜线阵列。
[0009]按上述方案，步骤I高温氧化温度为300?600°C，时间为2?6h;空气氛围。
[00?0]按上述方案，步骤2镍层的厚度为I?10nm。
[0011 ]按上述方案，步骤3聚合物为酚醛树脂或甲基丙烯酸甲酯。
[0012]按上述方案，步骤4碳化温度为700?1300°C，碳化时间为I?6h;氮气氛围。
[0013]本发明的电极材料中，碳层包覆在纳米铜线表面，具有良好导电能力的纳米铜线均匀分布于碳材料中，导电能力强;在纳米铜线和碳层之间有一层镍，部分镍与铜在高温下形成合金，具有非常良好的化学稳定性;镍和碳之间具有很强的亲和力，电极的制备不需要粘接剂，能很好地解决目前碳材料电极存在的导电能力差、结构不稳定等问题。
[0014]与现有技术相比，本发明具有以下的优点和有益效果:
[0015]I)本发明制得的碳包铜线为阵列结构，均匀分布于碳材料中，有利于提高电极材料的导电能力。
[0016]2)镍与铜在高温下形成具有良好化学稳定性的镍铜合金；
[0017 ] 3)镍与碳材料之间亲和力好，在高温碳化时连接，不需要粘结剂。
【附图说明】
[0018]图1:本发明碳包铜复合电极材料截面图；
[0019]图2:本发明碳包铜复合电极材料侧面图。
【具体实施方式】
[0020]以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。[0021 ]本发明碳包铜复合电极材料的制备过程如下:
[0022]I)把洁净的铜空气氛围下300?600 °C高温氧化2?6h，得到CuO/Cu复合材料;所述CuO/Cu复合材料具有发射状结构的纳米氧化铜线阵列；
[0023]2)采用化学镀的方法在步骤I所得材料的表面镀上一层厚度为I?1nm的镍；
[0024]3)将步骤2所得材料浸渍在酚醛树脂或甲基丙烯酸甲酯的有机溶液中，使其表面覆盖一层聚合物；
[0025]4)将步骤3所得材料氮气氛围下700?1300 °C高温处理I?6h，使有机聚合物碳化，获得纳米碳包铜线阵列。
[0026]如图1和图2所示，本发明的电极材料中，碳层包覆在纳米铜线表面，具有良好导电能力的纳米铜线均匀分布于碳材料中，导电能力强;在纳米铜线和碳层之间有一层镍，部分镍与铜在高温下形成合金，具有非常良好的化学稳定性;镍和碳之间具有很强的亲和力，电极的制备不需要粘接剂，能很好地解决目前碳材料电极存在的导电能力差、结构不稳定等问题。
[0027]实施例1
[0028]将洁净的铜线在大气氛围中氧化5h，氧化温度为450°C，高温氧化结束后让其自然冷却至室温，即可得到纳米氧化铜线阵列。
[0029]将上述材料放入市售的化学镀液中进行化学镀镍，时间为15秒。
[0030]将酚醛树脂分散于丙酮中，然后将上述镀镍后的铜线浸渍于其中取出，使铜线上均匀负载一层酚醛树脂，再碳化5h，碳化温度为800°C，冷却至室温取出。
[0031]将通过上述过程制得的碳包铜复合电极材料进行电化学测试。以IMNaSO4溶液为电解质，以碳包铜复合电极材料为工作电极，采用恒电流充放电法测试其电容特性。本实施例制得的纳米氧化铜的超级电容器性能良好，电极材料的能量密度为35Wh/kg。功率密度为4500ff/kg，循环5000次后，比容量仍然保持为90 %。
[0032]实施例2
[0033]将洁净的铜线在大气氛围中氧化6h，氧化温度为300°C，高温氧化结束后让其自然冷却至室温，即可得到纳米氧化铜线阵列。
[0034]将上述材料放入市售的化学镀液中进行化学镀镍，时间为15秒。
[0035]将酚醛树脂分散于丙酮中，然后将上述镀镍后的铜线浸渍于其中取出，使铜线上均匀负载一层酚醛树脂，再碳化6h，碳化温度为700°C，冷却至室温取出。
[0036]将通过上述过程制得的碳包铜复合电极材料进行电化学测试。以IMNaSO4溶液为电解质，以碳包铜复合电极材料为工作电极，采用恒电流充放电法测试其电容特性。本实施例制得的纳米氧化铜的超级电容器性能良好，电极材料的能量密度为34Wh/kg。功率密度为4200ff/kg，循环5000次后，比容量仍然保持为85 %。
[0037]实施例3
[0038]将洁净的铜线在大气氛围中氧化2h，氧化温度为600°C，高温氧化结束后让其自然冷却至室温，即可得到纳米氧化铜线阵列。
[0039]将上述材料放入市售的化学镀液中进行化学镀镍，时间为15秒。
[0040]将酚醛树脂分散于丙酮中，然后将上述镀镍后的铜线浸渍于其中取出，使铜线上均匀负载一层酚醛树脂，再碳化lh，碳化温度为1300°C，冷却至室温取出。
[0041]将通过上述过程制得的碳包铜复合电极材料进行电化学测试。以IMNaSO4溶液为电解质，以碳包铜复合电极材料为工作电极，采用恒电流充放电法测试其电容特性。本实施例制得的纳米氧化铜的超级电容器性能良好，电极材料的能量密度为36Wh/kg。功率密度为4100W/kg，循环5000次后，比容量仍然保持为90%。
[0042]实施例4
[0043]将洁净的铜线在大气氛围中氧化5h，氧化温度为450°C，高温氧化结束后让其自然冷却至室温，即可得到纳米氧化铜线阵列。
[0044]将上述材料放入市售的化学镀液中进行化学镀镍，时间为15秒。
[0045]将酚醛树脂分散于丙酮中，然后将上述镀镍后的铜线浸渍于其中取出，使铜线上均匀负载一层酚醛树脂，再碳化3h，碳化温度为900°C，冷却至室温取出。
[0046]将通过上述过程制得的碳包铜复合电极材料进行电化学测试。以IMNaSO4溶液为电解质，以碳包铜复合电极材料为工作电极，采用恒电流充放电法测试其电容特性。本实施例制得的纳米氧化铜的超级电容器性能良好，电极材料的能量密度为30Wh/kg。功率密度为4000ff/kg，循环5000次后，比容量仍然保持为90 %。
[0047]实施例5
[0048]将洁净的铜片在大气氛围中氧化4h，氧化温度为450°C，高温氧化结束后让其自然冷却至室温，即可得到纳米氧化铜线阵列。
[0049]将上述材料放入市售的化学镀液中进行化学镀镍，时间为20秒。
[0050]将酚醛树脂分散于丙酮中，然后将上述镀镍后的铜线浸渍于其中取出，使铜线上均匀负载一层酚醛树脂，再碳化3h，碳化温度为800°C，冷却至室温取出。
[0051]将通过上述过程制得的碳包铜复合电极材料进行电化学测试。以IMNaSO4溶液为电解质，以碳包铜复合电极材料为工作电极，采用恒电流充放电法测试其电容特性。本实施例制得的纳米氧化铜的超级电容器性能良好，电极材料的能量密度为35Wh/kg。功率密度为4400ff/kg，循环5000次后，比容量仍然保持为90 %。
[0052]实施例6
[0053]将洁净的铜线在大气氛围中氧化5h，氧化温度为450°C，高温氧化结束后让其自然冷却至室温，即可得到纳米氧化铜线阵列。
[0054]将上述材料放入市售的化学镀液中进行化学镀镍，时间为15秒。
[0055]将酚醛树脂分散于丙酮中，然后将上述镀镍后的铜线浸渍于其中取出，使铜线上均匀负载一层酚醛树脂，再碳化3h，碳化温度为700°C，冷却至室温取出。
[0056]将通过上述过程制得的碳包铜复合电极材料进行电化学测试。以IMNaSO4溶液为电解质，以碳包铜复合电极材料为工作电极，采用恒电流充放电法测试其电容特性。本实施例制得的纳米氧化铜的超级电容器性能良好，电极材料的能量密度为33Wh/kg。功率密度为4400ff/kg，循环5000次后，比容量仍然保持为90 %。
[0057]实施例7
[0058]将洁净的铜片在大气氛围中氧化6h，氧化温度为300°C，高温氧化结束后让其自然冷却至室温，即可得到纳米氧化铜线阵列。
[0059]将上述材料放入市售的化学镀液中进行化学镀镍，时间为15秒。
[0060]将酚醛树脂分散于丙酮中，然后将上述镀镍后的铜线浸渍于其中取出，使铜线上均匀负载一层酚醛树脂，再碳化5h，碳化温度为800°C，冷却至室温取出。
[0061]将通过上述过程制得的碳包铜复合电极材料进行电化学测试。以IMNaSO4溶液为电解质，以碳包铜复合电极材料为工作电极，采用恒电流充放电法测试其电容特性。本实施例制得的纳米氧化铜的超级电容器性能良好，电极材料的能量密度为35Wh/kg。功率密度为4200ff/kg，循环5000次后，比容量仍然保持为90 %。
【主权项】
1.一种碳包铜复合电极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤: 1)把洁净的铜高温氧化，得到CuO/Cu复合材料;所述CuO/Cu复合材料具有发射状结构的纳米氧化铜线阵列； 2)采用化学镀的方法在步骤I所得材料的表面镀上一层镍； 3)采用浸渍的方法，在步骤2所得材料表面覆盖一层有机聚合物； 4)将步骤3所得材料高温处理，使有机聚合物碳化，获得纳米碳包铜线阵列。2.如权利要求1所述碳包铜复合电极材料的制备方法，其特征在于步骤I高温氧化温度为300?600°C，时间为2?6h;空气氛围。3.如权利要求1所述碳包铜复合电极材料的制备方法，其特征在于步骤2镍层的厚度为I?1nm04.如权利要求1所述碳包铜复合电极材料的制备方法，其特征在于步骤3聚合物为酚醛树脂或甲基丙烯酸甲酯。5.如权利要求1所述碳包铜复合电极材料的制备方法，其特征在于步骤4碳化温度为700?1300°C，碳化时间为I?6h;氮气氛围。
【文档编号】H01G11/86GK106098401SQ201610536522
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】王升高, 陈睿, 刘星星, 崔丽佳, 皮小强, 张维
【申请人】武汉工程大学