一种木基厚碳电极材料的制备方法及其在高性能电容器中的应用

本发明属于超级电容器，具体涉及一种木基厚碳电极材料的制备方法及其在高性能电容器中的应用。

背景技术：

1、碳基双电层超级电容器作为一种新型的绿色储能装置，不仅具有快速储存和释放能量的特点，还具有宽的工作温限，高的功率密度、超长的循环寿命、低的维护成本和安全运行等优点，成为当前的研究热点。为进一步提高电容器的能量密度，碳基正极和金属基负极相结合的混合电容器逐渐引起了研究人员的兴趣。然而，碳基双电层超级电容器从基础研究到实际应用仍然存在很大差距，并且仍然是近年来的主要挑战。以商业超级电容器为例，它包含许多组件，除具有电容活性的电极材料外还包括不具有电容活性的封装材料，集流体，隔膜，电解液等，在实际应用中必须充分考虑惰性组分的质量占比。电极质量负载较低时，活性物质质量在整体器件中占比较小，导致其在实际应用中(基于整个器件)的性能大打折扣。因此，将电极活性物质的负载量提高到商业要求(＞10mg cm-2，＞100μm)对于具有现实意义。

2、天然木材含有丰富的纤维素、半纤维素、木质素，含碳量高，碳化后电极的质量负载高，但木基厚碳电极的孔隙结构、化学组成以及空间/活性物质利用率仍有待进一步提升。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。

2、作为本发明其中一个方面，本发明提供一种木基厚碳电极材料的制备方法，其包括以下步骤：

3、(1)将天然木材切片，清洗，得到木片；

4、(2)将聚乙烯吡咯烷酮、硝酸锌溶解在醇溶液中制备成硝酸锌醇溶液；将步骤(1)得到的木片浸渍在硝酸锌醇溶液中，真空辅助浸渍，放置过夜后自然晾干，得到负载硝酸锌的木片；

5、(3)将所述负载硝酸锌的木片在空气气氛下升温至250～280℃，稳定4～8h，换氮气气氛升温至800～1100℃碳化，降温后洗涤，干燥，得到木基厚碳材料。

6、作为本发明所述的木基厚碳电极材料的制备方法的一种优选方案：所述天然木材包括椴木。

7、作为本发明所述的木基厚碳电极材料的制备方法的一种优选方案：步骤(1)中，所述清洗，包括先用稀盐酸溶液清洗，再用水清洗。

8、作为本发明所述的木基厚碳电极材料的制备方法的一种优选方案：步骤(2)中，所述聚乙烯吡咯烷酮的浓度为1～3mg ml-1，硝酸锌浓度为100～300mm。

9、作为本发明所述的木基厚碳电极材料的制备方法的一种优选方案：步骤(2)中，所述聚乙烯吡咯烷酮的浓度为2mg ml-1，硝酸锌浓度为200mm，所述醇溶液，包括乙醇溶液。

10、作为本发明所述的木基厚碳电极材料的制备方法的一种优选方案：所述乙醇溶液是质量浓度为70～75％的乙醇水溶液。

11、木基厚碳电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述空气气氛，空气流速为100～300sccm，所述氮气气氛，氮气流速为100～300sccm。

12、作为本发明所述的木基厚碳电极材料的制备方法的一种优选方案：步骤(3)中，将所述负载硝酸锌的木片在空气气氛下升温至260℃，稳定6h，空气流速为200sccm，换氮气气氛升温至1000℃碳化2h，氮气流速为200sccm。

13、本发明的有益效果：本发明以天然椴木为基础材料，吸附含杂原子的活化剂，经高温碳化后的厚碳电极具有独特的膨胀结构、发达的多级孔结构、丰富的杂原子宫能团，作为自支撑电极材料用于碳基双电层超级电容器与锌离子混合超级电容器，无需额外的添加剂(如导电剂与粘接剂)，最大化了电极空间/活性材料的利用率，最大化其电容性能。同时其尺寸、形状、厚度等特征可随工业需求调节。

14、具体地，本发明天然木材为原料基础，廉价易得，无毒害，具有工艺成本低，经济高效、无污染等优点。碳化后电极的质量负载高，可满足商业化超级电容器对于电极质量负载的要求。以硝酸锌为活化剂/掺杂剂，采用真空辅助浸渍法将天然木材与硝酸锌结合。天然木材具有丰富的含氧官能团，可通过氢键作用与络合作用均匀的吸附锌离子，从分子水平调控其整体结构。本发明采用一步碳化法制备富含氮/氧冠能团的分级多孔木基厚碳电极材料，直接通过控制碳化温度控制电极材料的孔隙结构与表面化学组成。在升温过程中，硝酸锌中的硝酸根离子分解并产生大量气体，可将紧密的木材细胞壁膨胀开，三维空间均可被电解液渗透，电解液储存位点增多，电极内部空间利用率提高。此外，升温过程中，硝酸锌热分解形成zno纳米粒子，zno纳米粒子继而与木材碳化形成的碳骨架发生碳热还原反应转化为zn纳米晶，zn纳米晶在800℃即可挥发，遗留纳米孔。中间产物zno纳米粒子和zn纳米晶不仅可以作为硬模板产生纳米孔，为电解液离子提供储存位点与传输通道，而且可以促进碳材料热解碳化，形成部分石墨化结构，提高碳化产物的导电性，有效提升电极的电容性能。在升温过程中，发现硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍刻蚀碳骨架生成大量纳米孔，对木材细胞壁无膨胀作用。所制备的富含氮/氧冠能团的分级多孔木基厚碳材料(zncw-1000)用作碳基超级电容器以及锌离子混合电容器电极材料时，即使在低温环境下，仍表现出高的活性物质负载量，具有非常优异的耐低温性能，以及低温环境下的高初始比电容，优异的倍率性能，出色的循环稳定性，在超级电容器领域具有实际应用潜力。

技术特征：

1.一种木基厚碳电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的木基厚碳电极材料的制备方法，其特征在于：所述天然木材包括椴木。

3.根据权利要求1或2所述的木基厚碳电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述清洗，包括先用稀盐酸溶液清洗，再用水清洗。

4.根据权利要求1或2所述的木基厚碳电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述聚乙烯吡咯烷酮的浓度为1～3mg ml-1，硝酸锌浓度为100～300mm。

5.根据权利要求1或2所述的木基厚碳电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述聚乙烯吡咯烷酮的浓度为2mg ml-1，硝酸锌浓度为200mm，所述醇溶液，包括乙醇溶液。

6.根据权利要求5所述的木基厚碳电极材料的制备方法，其特征在于：所述乙醇溶液是质量浓度为70～75％的乙醇水溶液。

7.根据权利要求1或2所述的木基厚碳电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述空气气氛，空气流速为100～300sccm，所述氮气气氛，氮气流速为100～300sccm。

8.根据权利要求1或2所述的木基厚碳电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，将所述负载硝酸锌的木片在空气气氛下升温至260℃，稳定6h，空气流速为200sccm，换氮气气氛升温至1000℃碳化2h，氮气流速为200sccm。

9.权利要求1所述的木基厚碳电极材料在高性能电容器中的应用，其特征在于：所述木基厚碳电极材料能够用于低温环境。

10.权利要求9所述的应用，其特征在于：所述木基厚碳电极材料能够用于三电极系统或双电极系统。

技术总结
本发明公开了一种木基厚碳电极材料的制备方法及其在高性能电容器中的应用，包括将聚乙烯吡咯烷酮、硝酸锌溶解在醇溶液中制备成硝酸锌醇溶液；将得到的木片浸渍在硝酸锌醇溶液中，真空辅助浸渍，放置过夜后自然晾干，得到负载硝酸锌的木片；将所述负载硝酸锌的木片在空气气氛下升温，换氮气气氛升温碳化，降温后洗涤，干燥。本发明经高温碳化后的厚碳电极具有独特的膨胀结构、发达的多级孔结构、丰富的杂原子宫能团，作为自支撑电极材料用于碳基双电层超级电容器与锌离子混合超级电容器，无需额外的添加剂，最大化了电极空间/活性材料的利用率，最大化其电容性能。

技术研发人员：张倩,闫冰,何水剑,蒋少华,韩景泉
受保护的技术使用者：南京林业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16