一种用于锌离子混合超级电容器正极的氮掺杂多孔碳材料的制备方法与流程

本发明涉及电化学和新能源材料，尤其是一种用于锌离子混合超级电容器正极的氮掺杂多孔碳材料的制备方法。

背景技术：

1、锂离子电池(libs)自商业化应用以来，成为了目前市场上主要的储能系统，广泛应用在手机等各类电子产品和新能源汽车上。然而，即便是应用最广泛的libs也存在功率密度有限、循环寿命短和安全等问题。与libs依靠材料中发生氧化还原反应进行电荷存储不同，超级电容器(scs)又称电化学电容器，是通过在电极和电解液界面发生快速可逆的离子吸附/脱附反应从而提供高能量密度。

2、锌离子混合超级电容器(zhscs)是一种新兴的多价金属基混合电化学体系。zhscs结合了锌离子电池的高理论重量和体积容量(820mah g-1和5855mah cm-3)，低成本、环境友好、锌负极的低氧化还原电位(-0.76v vs标准氢电极(she))和超级电容器的优点，包括快速充放电速率高，功率密度大，循环寿命长等。除此之外，zn金属比li、na、k等碱金属更安全，可以使用水系电解液，凸显了水性zhscs相对于其他碱金属基混合超级电容器的优越性。因此，zhscs有望满足各种实际应用的需求，包括便携式电子产品和电动汽车。而廉价易得、绿色环保、且具有良好导电性的和优异电化学稳定性的碳基材料被视为zhscs的理想正极材料。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种可用于锌离子混合超级电容器正极氮掺杂多孔碳电极材料的制备方法，通过碳化活化处理制备了一种具有高比表面积的氮掺杂多孔碳材料为锌离子混合超级电容器正极材料，大比表面积以及丰富的孔隙结构提供了更多的活性位点，同时n、o杂原子自掺杂也有利于增强对zn2+离子的吸附能力。该方法合成步骤简单、易操作、产量高，有利于大规模制备。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种用于锌离子混合超级电容器正极的氮掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、s1:惰性气氛下，以干松针为原料在管式炉中煅烧一定时间后，预碳化后得到前驱体材料；

4、s2：称取一定量的活化剂溶于水中配得溶液，再向烧杯中加入一定量的前驱体材料，然后将其置于搅拌器上搅拌均匀；

5、s3：将搅拌充分后的材料进行冷冻干燥处理，再在惰性气氛下进行高温碳化，高温碳化后得到的产物经过酸洗后用水抽滤、洗涤并干燥，即得到氮掺杂多孔碳材料。

6、进一步的：所述步骤s1中干松针需要先用蒸馏水、naoh水溶液洗净杂质，并在烘箱中烘干水分。

7、进一步的：所述步骤s1中干松针需要先用蒸馏水、naoh水溶液洗净杂质，并在烘箱中烘干水分。

8、进一步的：所述步骤s1中煅烧温度为300-500℃，升温速率为5-10℃min-1，煅烧时间为1-3h。

9、进一步的：所述步骤s2中活化剂为koh或zncl2中的一种，活化剂与前驱体材料的质量比为3:1～1:1。

10、进一步的：所述步骤s3中惰性气氛为氮气、氩气、氦气或氖气中的一种。

11、进一步的：所述步骤s3中煅烧温度为700-900℃，升温速率为5-10℃min-1，煅烧时间为1-3h。

12、进一步的：所述步骤s3中酸洗溶液为盐酸、硫酸或硝酸溶液中的一种，浓度为1-3mol/l。

13、与现有发明相比，本发明具有以下优势：

14、(1)本发明中使用的松针，廉价易得、绿色环保、无污染，本发明采用的制备工艺方法简单且易操作，可以大规模生产。

15、(2)本发明制备的氮掺杂多孔碳材料具有较大的比表面积和高氮原子字自掺杂含量。大比表面积带来的丰富的孔隙结构有利于增加与电解质的充分接触面积，从而缩短zn2+离子扩散距离，这有利于提高其电化学性能。而n、o元素的存在可以有效改善碳材料表面的稳定性和润湿性此外，此外c-o/c＝n和c＝o/c-n可以提供大量活性位点，增强赝电容行为并提高电化学性。

16、(3)将本方法所制备的氮掺杂多孔碳材料与粘结剂、导电剂混合制成浆料涂覆在不锈钢箔集流体上组装成锌离子混合超级电容器。其具有良好的循环稳定性以及较高的容量保持率。该氮掺杂多孔碳材料用于锌离子混合超级电容器正极材料时，在0.2ag-1的电流密度下，具有373.4fg-1的高比容量；在依次经过小电流密度、大电流密度测试，并返回至小电流密度时，其容量基本恢复，并在5.0ag-1大电流密度下，仍可保持215.5fg-1的高比容量。因此本发明中的氮掺杂多孔碳材料及其制备方法为锌离子混合超级电容器的商业化发展提供了进一步的可能性。

技术特征：

1.一种用于锌离子混合超级电容器正极的氮掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于锌离子混合超级电容器正极的氮掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中干松针需要先用蒸馏水、naoh水溶液洗净杂质，并在烘箱中烘干水分。

3.根据权利要求1所述的一种用于锌离子混合超级电容器正极的氮掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中惰性气氛为氮气、氩气、氦气或氖气中的一种，干燥后的松针在管式炉中煅烧一定时间后，得到黑色块状颗粒的前驱体材料。

4.根据权利要求1所述的一种用于锌离子混合超级电容器正极的氮掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中煅烧温度为300-500℃，升温速率为5-10℃min-1，煅烧时间为1-3h。

5.根据权利要求1所述的一种用于锌离子混合超级电容器正极的氮掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中活化剂为koh或zncl2中的一种，活化剂与前驱体材料的质量比为3:1～1:1。

6.根据权利要求1所述的一种用于锌离子混合超级电容器正极的氮掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中惰性气氛为氮气、氩气、氦气或氖气中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种用于锌离子混合超级电容器正极的氮掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中煅烧温度为700-900℃，升温速率为5-10℃min-1，煅烧时间为1-3h。

8.根据权利要求1所述的一种用于锌离子混合超级电容器正极的氮掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中酸洗溶液为盐酸、硫酸或硝酸溶液中的一种，浓度为1-3mol/l。

技术总结本发明公开了一种用于锌离子混合超级电容器正极的氮掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：S1:惰性气氛下，以干松针为原料在管式炉中煅烧一定时间后，预碳化后得到前驱体材料；S2：称取一定量的活化剂溶于水中配得溶液，再向烧杯中加入一定量的前驱体材料，然后将其置于搅拌器上搅拌均匀；S3：将搅拌充分后的材料进行冷冻干燥处理，再在惰性气氛下进行高温碳化，高温碳化后得到的产物经过酸洗后用水抽滤、洗涤并干燥，即得到氮掺杂多孔碳材料。该方法合成步骤简单、易操作、产量高，有利于大规模制备。技术研发人员：郑江涛受保护的技术使用者：江苏国轩新能源科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/9