本发明涉及碳材料制备技术领域，尤其涉及一种煤沥青基碳纤维的制备方法及应用。
背景技术：
化石能源枯竭和全球气候变暖使人们对可再生能源的利用日益重视，大力发展清洁能源汽车也成为不可逆转的趋势。高效的能量储存和转换技术是可再生能源利用和发展电动汽车的关键技术之一。超级电容器(supercapacitors)，也称电化学电容器(electrochemicalcapacitors)，是一类性能介于物理电容器和二次电池之间的新型储能器件，兼有物理电容器高比功率和电池高比能量的特点。由于具有功率密度高、循环寿命长、能瞬间大电流快速充放电、工作温度范围宽、安全、无污染等特点，超级电容器在电动汽车、不间断电源、航空航天、军事等诸多领域有广阔的应用前景，引起了国内外研究者的广泛关注，成为当前化学电源领域的研究热点之一。
电极材料的选用是超级电容器制备的关键部分，它决定着超级电容器的主要性能指标。炭材料比电容高，循环寿命长，且资源丰富、结构多样、成本适中，是超级电容器领域最为活跃的研究方向。
纤维类碳材料由于具有强度高、质量轻、比表面积大、耐高温高压、且可加工性强等特点，是制备超级电容器电极的理想材料。制备碳纤维的碳源主要是有机聚合物，如聚丙烯腈(pan)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚乙烯醇(pva)、聚甲醛(pom)等。与有机聚合物相比，煤具有较高的含碳量(50％～98％)和较低的成本，更适合作为制备纳米碳纤维的碳源。
技术实现要素：
本发明提供了一种煤沥青基碳纤维的制备方法及应用，将煤沥青与助纺剂混合后，采用静电纺丝技术制备煤沥青基碳纤维，制备过程简单，原料来源丰富，所制备的煤沥青基碳纤维用作超级电容器电极具有比电容高，倍率性能好等优点。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种煤沥青基碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
1)将聚乙烯吡咯烷酮溶于二甲基甲酰胺中，质量分数为7％～15％，溶解温度40～100℃；
2)将中温煤沥青溶于步骤1制得的溶液中，中温煤沥青与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1～7:1；
3)将步骤2制得的混合溶液放入静电纺丝机的注射器内进行纺丝，设置电压10～25kv，注射器与接收器距离5～15cm；
4)将纺丝后的纤维在250℃的空气中预氧化2h以上后进行碳化，碳化温度700～1000℃，处理时间1～3h，冷却至室温后即得到煤沥青基碳纤维。
由所述方法制备的煤沥青基碳纤维，用于制备超级电容器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)制备方法简单易行，静电纺丝法在常温下即可制备直径较小的碳纤维，能耗低；
2)以煤沥青为主要碳源，碳纤维导电性好；
3)原料价格低廉，来源丰富，易于实现规模化生产；
4)所制备的煤沥青基碳纤维作为超级电容器电极材料时，表现出较高的比容量和较好的倍率性能。
附图说明
图1是本发明实施例1中所制备的煤沥青基碳纤维的扫描电镜照片。
具体实施方式
本发明所述一种煤沥青基碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
1)将聚乙烯吡咯烷酮按7％～15％溶于二甲基甲酰胺中，质量分数为7％～15％，溶解温度40～100℃；
2)将中温煤沥青溶于步骤1制得的溶液中，中温煤沥青与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1～7:1；
3)将步骤2制得的混合溶液放入静电纺丝机的注射器内进行纺丝，设置电压10～25kv，注射器与接收器距离5～15cm；
4)将纺丝后的纤维在250℃的空气中预氧化2h以上后进行碳化，碳化温度700～1000℃，处理时间1～3h，冷却至室温后即得到煤沥青基碳纤维。
由所述方法制备的煤沥青基碳纤维，用于制备超级电容器。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
【实施例1】
本实施例中，所述煤沥青基碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
1)将8g聚乙烯吡咯烷酮溶于92g二甲基甲酰胺中，在40℃温度下溶解，配置成质量分数为8％的溶液；
2)将8g中温煤沥青溶于步骤1)制得的溶液中；
3)将步骤2)制得的混合溶液放入静电纺丝机注射器内进行纺丝，设置电压15kv，注射器与接收器距离10cm；
4)将纺丝后的纤维在250℃空气中预氧化2h后，再于700℃碳化处理1h后冷却即得到煤沥青基碳纤维；
5)测试含有所制得煤沥青基碳纤维的超级电容器的性能，发现在6mol/l氢氧化钾溶液中，2mv/s扫速下，具有152f/g的比电容。所制备的煤沥青基碳纤维的扫描电镜照片如图1所示。
【实施例2】
本实施例中，所述煤沥青基碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
1)将10g聚乙烯吡咯烷酮溶于90g二甲基甲酰胺中，在80℃温度下溶解，配置成质量分数为10％的溶液；
2)将20g中温煤沥青溶于步骤1)制得的溶液中；
3)将步骤2)制得的混合溶液放入静电纺丝机注射器内进行纺丝，设置电压20kv，注射器与接收器距离15cm；
4)将纺丝后的纤维在250℃空气中预氧化2h后，再于800℃碳化处理1h后冷却即得到煤沥青基碳纤维；
测试含有所制得煤沥青基碳纤维的超级电容器的性能，发现在6mol/l氢氧化钾溶液中，2mv/s扫速下，具有129f/g的比电容。
【实施例3】
本实施例中，所述煤沥青基碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
1)将7g聚乙烯吡咯烷酮溶于93g二甲基甲酰胺中，在60℃温度下溶解，配置成质量分数为7％的溶液；
2)将35g中温煤沥青溶于步骤1)制得的溶液中；
3)将步骤2)制得的混合溶液放入静电纺丝机注射器内进行纺丝，设置电压25kv，注射器与接收器距离10cm；
4)将纺丝后的纤维在250℃空气中预氧化2h后，再于900℃碳化处理1h后冷却即得到煤沥青基碳纤维；
测试含有所制得煤沥青基碳纤维的超级电容器的性能，发现在6mol/l氢氧化钾溶液中，2mv/s扫速下，具有115f/g的比电容。
【实施例4】
本实施例中，所述煤沥青基碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
1)将15g聚乙烯吡咯烷酮溶于85g二甲基甲酰胺中，在80℃温度下溶解，配置成质量分数为15％的溶液；
2)将15g中温煤沥青溶于步骤1)制得的溶液中；
3)将步骤2)制得的混合溶液放入静电纺丝机注射器内进行纺丝，设置电压18kv，注射器与接收器距离15cm；
4)将纺丝后的纤维在250℃空气中预氧化2h后，再于700℃碳化处理1h后冷却即得到煤沥青基碳纤维；
测试含有所制得煤沥青基碳纤维的超级电容器的性能，发现在6mol/l氢氧化钾溶液中，2mv/s扫速下，具有133f/g的比电容。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。