一種高容量官能團化炭素層狀電極及制備方法技術

一種高容量官能團化炭素層狀電極及制備方法。所述電極包括集流體、基體膜、表面浸漬涂層，所述基體膜涂覆在所述集流體上；在所述基體膜的外表面，依次浸漬有含羰基(C＝O)官能團炭素粉末及含胺(-NH2)官能團炭素粉末的表面浸漬涂層。其制備方法包括炭素粉末的選擇與官能團化、含炭素粉末料漿的配制以及料漿的分層涂覆等步驟。本發明專利技術所制備的炭素層狀獨特層狀結構，可以儲存更多的電容容量，可以保證大倍率下的高容量，循環壽命長；可作高功率超級電容器的電極，也可用作大倍率鋰離子電池的電極；本發明專利技術制備工藝簡單，原料來源廣泛，制備成本低，適于工業化實際應用中。

High capacity functionalized carbon layered electrode and preparation method thereof

High capacity functionalized carbon layered electrode and preparation method thereof. The electrode includes a current collector, base film, surface coating, the substrate film coated on the current collector; the outer surface of the base film, are impregnated with carbonyl groups (C = O) and carbon powder containing amine (-NH2) surface functional groups of carbon powder dipping coating. The preparation method comprises the steps of selection and functionalization of carbon powder, preparation of carbon powder slurry and layered coating of slurry. The prepared carbon layer unique layered structure, can more storage capacity, can guarantee the high rate of large capacity, long life cycle; electrode for high power super capacitor electrode, also can be used for high rate lithium ion battery; the preparation process is simple, wide sources of raw materials preparation, low cost, suitable for practical application in industrialization.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術公開了，特別涉及大倍率下 依然有高容量的超級電容器和鋰離子電池用的高容量官能團化炭素層狀電極及制備方法。 屬于電化學

技術介紹
鋰離子電池和超級電容器是目前的兩大主要儲能器件，它們各有特點。超級電容 器雖具有功率密度高、循環壽命長的優點，但能量密度相對較低；而鋰離子電池具有能量密 度高、自放電小的特點，但倍率性能不理想，功率密度較低。因此，目前的鋰離子電池或超級 電容器都很難同時滿足航空航天、國防軍工、電動車輛、電子信息和儀器儀表等領域急需的 可兼具高能量密度、高功率密度和長壽命等性能的要求。為了使鋰離子電池具有高的功率性能，人們做了大量研究，其中最有效果的措施 是采用納米化的電極材料，這主要是基于納米化材料可以縮短鋰離子的傳輸路徑，但研究 表明納米化電極材料所制備鋰離子電池器件的功率密度依然低于現有的超級電容器。另一 方面，人們也研究了如何提高超級電容器能量密度的方法，比如利用具有贗電容特性的納 米過渡金屬氧化物，但這些材料存在循環性能不穩定或者造價高等缺陷。因此，為鋰離子電 池與超級電容器器件研發兼具高能量密度與高功率密度的電極材料迫在眉切。
技術實現思路
本專利技術的目的是為在于克服現有技術之不足而提供一種制備工藝簡單，原料來源 廣泛，制備成本低，儲能性能好，大倍率下容量高的高容量官能團化炭素層狀電極及制備方 法。為鋰離子電池與超級電容器提供兼具高能量密度與高功率密度的電極材料。本專利技術一種高容量官能團化炭素層狀電極，包括集流體、基體膜、表面浸漬涂層， 所述基體膜涂覆在所述集流體上；在所述基體膜的外表面，依次浸漬有含羰基(C = O)官能 團炭素粉末及含胺(-NH2)官能團炭素粉末的表面浸漬涂層；所述集流體、基體膜、表面浸漬 涂層總的厚度為150-200um。本專利技術一種高容量官能團化炭素層狀電極中，所述集流體的材質為銅箔或者鋁 箔，其厚度為10-20um;所述基體膜層由含胺(-NH2)官能團炭粉與乙炔黑、聚偏氟乙烯按重 量比為8 1 1的比例混合構成，其厚度為90-120um;所述含羰基(C = O)官能團炭素粉 末由炭素原料經氧化后得到；所述含胺(-NH2)官能團炭素粉末由炭素原料經氧化后再進行 氯化后得到；所述炭素粉末選自碳納米管、中孔碳纖維、有序介孔碳CMK系列或SUN系列、三 維層次孔結構的碳微粉、石墨以及石墨烯中的至少一種，所述炭素粉末的粒度為15-25um。本專利技術一種高容量官能團化炭素層狀電極的制備方法，包括以下步驟第一步，表面含官能團的炭素粉末制備1. 1炭素粉末表面羰基(C = 0)官能團的制備取碳納米管、中孔碳纖維、有序介孔碳CMK系列或SUN系列、三維層次孔結構的碳微粉、石墨以及石墨烯中至少一種炭素粉末原料在空氣中加熱至350-550°C，氧化30-120 分鐘，得到表面含羰基(C = 0)官能團的炭素粉末；或將所述炭素粉末原料置于氧化性溶液中氧化30-180min，控制溫度為50_80°C，氧 化后的粉末用去離子水漂洗干凈后，在80-120°C下在真空干燥12小時以上，得到表面富含 羰基(C = 0)的炭素粉末；所述氧化性溶液選自濃硝酸、濃硝酸/濃硫酸混合酸、過硫酸銨 溶液或高錳酸鉀溶液中的一種；1. 2炭素粉末表面胺(-NH2)官能團的制備按1. 1中的方法制備表面富含羰基(C = 0)的炭素粉末，將其置于氯氣氣氛中加 熱至600-1200°C，保溫30min-2h，進行氯化；或將其置于氯化亞砜溶液中，在50-90°C浸漬12_24h后過濾，將濾渣在100-120°C烘 干12-24h，進行氯化；然后將氯化后的含羰基(C = 0)的炭素粉末置于乙二胺溶液中，在50-80°C攪拌 反應12-24h后，將過濾粉末依次用乙醇與去離子水漂洗；最后把所得粉末置于真空干燥箱 中，在50-80°C真空干燥對小時以上，得到表面富含胺(-NH2)官能團的炭素粉末；第二步，料漿的配制。取第一步1. 1,1. 2中制備的表面富含羰基的炭素粉末及表面富含胺(-NH2)官能 團的炭素粉末，在超聲波作用下，分別分散到溶劑中形成漿料，漿料中含羰基的炭素粉末及 含胺(-NH2)官能團的炭素粉末含量分別為3-30g/l，將含羰基的炭素粉末的漿料命名為A 液，將含胺(-NH2)官能團的炭素粉末的漿料命名為B液；所述溶劑選自去離子水、乙醇或丙 酮中的一種；所述超聲波強度為lOO-lOOOkHz，超聲時間為30-120min ；第三步，基體膜的制備取第一步1. 2制備的含胺(-NH2)官能團的炭素粉末與乙炔黑、聚偏氟乙烯按重量 比為8 1 1的比例混合，加NMP溶劑，研磨調成漿狀，然后均勻涂覆在集流體上，涂層厚 度為90-120um，于50-80°C、真空干燥12h以上，得到基體膜；第四步，層狀電極的成型將第三步制備的基體膜在第二步制備的A液中浸漬30-60min后，取出用熱風 烘干；隨后，在第二步制備的B液中浸漬30-60min后，取出用熱風烘干；將基體膜重復 在A液、B液中浸漬、烘干，直到由集流體、基體膜與表面浸漬涂層構成的膜片總厚度達到 150-200um ；最后，將所得膜片在真空下于60-100°C干燥12h以上，即得到一種高容量官能 團化炭素層狀電極。本專利技術由于采用上述結構及制備方法，制備的電極材料具有兩層以上的層狀結 構，相鄰浸漬層之間的炭素粉末的結構和成分可以相同、也可以不同；構成每一層的炭素原 料可以選擇碳納米管、中孔碳纖維、有序介孔碳CMK系列或SUN系列、三維層次孔結構的碳 微粉、人造石墨、天然石墨以及石墨烯中的至少一種。本專利技術所提供層狀電極的每一層涂層 的表面均富含含氧官能團或含氮官能團，含氧官能團特別指含羰基(C = O)官能團，含氮官 能團特別指含胺(-NH2)的官能團。本專利技術具有以下優點1、所制備材料表面具有含氧官能團和含氮官能團結構，這些官能團的氧化還原反 應會產生贗電容，該贗電容的比容量遠遠大于由層次孔所形成的雙電層電容的比容量，因而具有優秀的儲能性能，從而可以達到高能量密度的要求；2、所制備材料的獨特層狀結構，可以儲存更多的電容容量，可以保證大倍率下的高容量；3、本專利技術所采用的材料為常規鋰離子電池的炭素負極材料，因而能夠發揮鋰離子 電池高容量的特點；4、本專利技術材料的制備工藝簡單，原料來源廣泛，因而制備成本低，容易運用到工業 化實際應用中。附圖說明附圖1本專利技術實施例1人造石墨氧化前后的紅外測試結果。附圖2輕度氧化所引起炭索表面官能團的變化示意圖。附圖1中，1號曲線為實施例1中人造石墨氧化前紅外測試結果，2號曲線為實施 例1中人造石墨氧化后紅外測試結果。具體實施例方式下面結合實施例對本專利技術作進一步說明，但本專利技術并不受此限制。實施例1第一步，表面富含官能團的炭素粉末制備(1)采用氣相氧化法制備表面富含羰基炭素粉末的制備。將商品鋰離子電池用人造石墨CMS，平均粒度為15-25um置于管式爐中，在480°C 通空氣的情況下氧化30min得到輕度氧化的CMS粉末，測試發現其燒失率為5.2%，氧化 前后粉末的紅外光譜見圖1，顯然，氧化處理后石墨表面的羰基基團大為增加；將商品碳納 米管(純度95%，長度l-5um，外徑10-20nm)置于管式爐中，在450°C通空本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種高容量官能團化炭素層狀電極，包括集流體、基體膜、表面浸漬涂層，所述基體膜涂覆在所述集流體上；在所述基體膜的外表面，依次浸漬有含羰基（Ｃ＝Ｏ）官能團炭素粉末及含胺（－ＮＨ２）官能團炭素粉末的表面浸漬涂層；所述集流體、基體膜、表面浸漬涂層總的厚度為１５０－２００ｕｍ。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：周向陽，楊娟，劉宏專，伍上元，婁世菊，鄒幽蘭，唐晶晶，
申請(專利權)人：中南大學，
類型：發明
國別省市：43