本发明属于超级电容器技术领域，尤其涉及一种双面支撑薄层碳片、制备方法、电极、电池及超级电容器。
背景技术：
目前，超级电容器因具有充放电速度快、功率密度高以及循环寿命长等显著的特点而备受关注。高性能一直是该领域追求的目标，其性能主要取决于电极材料。其中最常用的碳基电极材料一直是该领域的研究重点，也是改进和优化超级电容器性能的重要切入点。在实际生产应用中，利用活化法制备高质量比电容的材料相对容易，但制备高体积比电容的碳材料难度较大。具体而言，在携带式、消费类电子产品及电动汽车等能源存储装置中要求储能器件尽可能在一个相对有限的空间释放能量，体积比电容是评价电容器电荷储存能力更可靠且更重要的参数，因此制备兼顾高体积比容量和高质量比容量的电极材料尤为重要。然而，高体积比电容和高质量比电容是两个相互矛盾的性能指标。根据材料体积比容量(cvol)计算公式cvol＝ρcg(ρ代表的是电极材料的压实密度，cg代表的是质量比电容)可知，提高电极材料的密度ρ、降低材料孔隙率是提高体积比容量行之有效的手段。但是降低孔隙率会导致材料比表面积、储能活性位点和离子迁移通道减少，这不仅使材料的质量比电容大幅度下降，导致其体积比容量仍然不高，而且还会牺牲材料的快速充放电能力。当前文献报道的提高体积比电容的方法主要压缩死体积或者引入高密度的金属离子或者杂原子，该策略不可避免的降低质量比电容。如何解决质量比电容和体积比电容以及面积比电容之间的“跷跷板”关系是方法学中的难点。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术提高体积比电容的方法主要压缩死体积或者引入高密度的金属离子或者杂原子，不可避免的降低质量比电容。
解决以上问题及缺陷的难度为：碳材料的制备中，对于制备具有双面剥离的活性位点的结构相对工艺复杂，通常只能制备单面具有缺陷活性位点的材料。另外，制备的碳材料通常含有大量死体积，如何减小碳的有效厚度是另一个难点。
解决以上问题及缺陷的意义为：可以在不添加腐蚀性的活化剂的基础上实现性能的最优化，另外，无死体积的碳材料可以实现材料经济的最大效益。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双面支撑薄层碳片、制备方法、电极、电池及超级电容器。
本发明是这样实现的，一种无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法，所述无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法包括：
制备模板，聚合物微球：十二烷基硫酸钠溶液水中，搅拌，加入苯乙烯和4-乙烯基吡啶，反应得到乳白色均相乳液；
取乳液，加入丙烯腈，先搅拌，随后加热，并继续反应，破乳后得到白色粉末；
将制备的聚合物转移至管式炉中，在空气氛围下反应，得到预氧化产物；
将预氧化产物在氮气氛围下，升温并保温，清洗后得到最终的产物。
聚合物微球在反应过程中起模板，在合成阶段锚定丙烯腈用于聚合反应，尤其是表面的4-乙烯基吡啶的作用非常重要；聚丙烯腈在碳化过程中形成保护层，在碳化阶段锚定稳定模板结构中的4-乙烯基吡啶。从而碳化后碳层内侧为4-乙烯吡啶为前驱体的碳材料，碳层外侧为聚丙烯腈为前驱体的碳材料，最终实现双面高效的碳层。
进一步，制备模板，聚合物微球：0.2g十二烷基硫酸钠溶液100ml水中，在40℃下搅拌30-60min，随后，加入8g苯乙烯和2g4-乙烯基吡啶，在70℃下反应24h得到乳白色均相乳液。
进一步，取10ml上述乳液，加入0.1g丙烯腈，先在40℃下搅拌30min，随后加热至70-80℃，并继续反应3-12h，破乳后得到白色粉末。
进一步，将制备的聚合物转移至管式炉中，在空气氛围下，250℃下反应10h，得到预氧化产物。
进一步，将预氧化产物在氮气氛围下，以2℃/min升温至750-950℃并保温1-2h，清洗后得到最终的产物。
本发明的另一目的在于提供一种双面支撑薄层碳片。
本发明的另一目的在于提供一种电极，所述电极由所述无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法制备得到的碳材料与粘结剂以及乙炔黑混合制备匀浆，以泡沫镍为集流体，压片后制备得到电极；碳材料：粘结剂：乙炔黑的质量比例为8：1：1。
本发明的另一目的在于提供一种电池，所述电池使用所述的电极。
本发明的另一目的在于提供一种超级电容器，所述超级电容器使用所述的电极。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述电池的汽车。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明根据碳材料自身特点，选取高密度的碳前驱体，利用双向锚定策略缩减碳材料的死体积同时充分发挥表面积的作用，制备的碳材料表现了优异的整体性能，其性能在未活化处理的丙烯腈基碳材料中性能达到最大值。
本发明首次提出双向锚定法用于制备薄层碳纳米片；该方法制备的碳纳米片具有双面支撑结构，使缺陷充分暴露；制备的碳材料用于超级电容器电极材料可达到无活化丙烯腈基碳材料的最高性能；制备方法具有操作简便的特点，无死体积赋予材料高效性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法流程图。
图2是本发明实施例提供的无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法的实现流程图。
图3是本发明实施例提供的制备的材料的扫描电镜图和透射电镜图。
图4是本发明实施例提供的制备的材料的孔径分布图。
图5是本发明实施例提供的结构的机理示意图。
图6是本发明实施例提供的性能表征的循环伏安图和恒流充放电图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双面支撑薄层碳片、制备方法、电极、电池及超级电容器，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法包括以下步骤：
s101：制备模板，聚(苯乙烯-co-4-乙烯基吡啶)微球：0.2g十二烷基硫酸钠溶液100ml水中，在40℃下搅拌30-60min，随后，加入8g苯乙烯和2g4-乙烯基吡啶，在70℃下反应24h得到乳白色均相乳液；
s102：取10ml上述乳液，加入0.1g丙烯腈，先在40℃下搅拌30min，随后加热至70-80℃，并继续反应3-12h，破乳后得到白色粉末；
s103：将制备的聚合物转移至管式炉中，在空气氛围下，250℃下反应10h，得到预氧化产物；
s104：将预氧化产物在氮气氛围下，以2℃/min升温至750-950℃并保温1-2h，清洗后得到最终的产物。
本发明提供的无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法仅仅是一个具体实施例而已。
本发明将制备得到的碳材料与粘结剂以及乙炔黑混合制备匀浆，以泡沫镍为集流体，压片后制备得到电极；以电极材料为工作电极，汞氧化汞电极为参比电极，铂片为对电极组装三电极体系，测试电极材料的电化学性能。碳材料：粘结剂：乙炔黑的质量比例为8：1：1。
本发明提出一种双向锚定策略制备双面支撑的薄层碳纳米片；该方法制备的碳材料无死体积，且使缺陷得到充分暴露；制备的碳材料表现了无活化丙烯腈基碳材料的最大性能，且同时较高的具有质量比电容、体积比电容和面积比电容，可实现整体性能的优化；高效的利用原材料，实现结构-性能的最大化；操作简便，易批量制备。
本发明通过扫描电镜和透射电镜结构显示，制备的碳材料具有超薄的纳米片结构；将其用于电化学性能，无任何活化的处理其质量比电容、体积比电容和面积比电容可高达308.89fg-1，231.67fcm-3，和1146μfcm-2；结构表征证明该方法可使缺陷充分暴露，用于活性位点；上述制备过程只要涉及自由基聚合，无苛刻的制备工艺和特殊要求的操作，简便易操作，过程中原料的用量极低且性能达到丙烯腈领域的最高值，证明其结构与性能的高效性；该方法可适用于其他与丙烯腈具有相似结构的可聚合单体。
下面结合实验数据及效果对本发明作进一步描述。
在本发明中，图2是无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法的实现流程。
图3是制备的材料的扫描电镜图和透射电镜效果。
图4是制备的材料的孔径分布效果。
图5是结构的机理原理。
图6是性能表征的循环伏安图和恒流充放电效果。
实验表明：
传统的锚定法只能实现缺陷的单面剥离，本发明中的双面锚定可通过一步法实现双面缺陷剥离，从而性能得以优化。
碳材料中死体积的存在则需要物理或者化学活化处理实现发达的孔道结构，本发明通过双面锚定可实现超薄且相互连接碳壁，从而实现高性能。
本发明根据碳材料自身特点，选取高密度的碳前驱体，利用双向锚定策略缩减碳材料的死体积同时充分发挥表面积的作用，制备的碳材料表现了优异的整体性能，其性能在未活化处理的丙烯腈基碳材料中性能达到最大值。
本发明首次提出双向锚定法用于制备薄层碳纳米片；该方法制备的碳纳米片具有双面支撑结构，使缺陷充分暴露。实验证明，本发明制备的碳材料用于超级电容器电极材料可达到无活化丙烯腈基碳材料的最高性能；制备方法具有操作简便的特点，无死体积赋予材料高效性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
1.一种无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法，其特征在于，所述无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法包括：
制备模板，聚合物微球：十二烷基硫酸钠溶液水中，搅拌，加入苯乙烯和4-乙烯基吡啶，反应得到乳白色均相乳液；
取乳液，加入丙烯腈，先搅拌，随后加热，并继续反应，破乳后得到白色粉末；
将制备的聚合物转移至管式炉中，在空气氛围下反应，得到预氧化产物；
将预氧化产物在氮气氛围下，升温并保温，清洗后得到最终的产物。
2.如权利要求1所述的无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法，其特征在于，制备模板，聚合物微球：0.2g十二烷基硫酸钠溶液100ml水中，在40℃下搅拌30-60min，随后，加入8g苯乙烯和2g4-乙烯基吡啶，在70℃下反应24h得到乳白色均相乳液。
3.如权利要求1所述的无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法，其特征在于，取10ml上述乳液，加入0.1g丙烯腈，先在40℃下搅拌30min，随后加热至70-80℃，并继续反应3-12h，破乳后得到白色粉末。
4.如权利要求1所述的无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法，其特征在于，将制备的聚合物转移至管式炉中，在空气氛围下，250℃下反应10h，得到预氧化产物。
5.如权利要求1所述的无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法，其特征在于，将预氧化产物在氮气氛围下，以2℃/min升温至750-950℃并保温1-2h，清洗后得到最终的产物。
6.一种由权利要求1～5任意一项所述无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法制备的双面支撑薄层碳片。
7.一种电极，其特征在于，所述电极由权利要求1～5任意一项所述无死体积的双面支撑薄层碳片的制备方法制备得到的碳材料与粘结剂以及乙炔黑混合制备匀浆，以泡沫镍为集流体，压片后制备得到电极；碳材料：粘结剂：乙炔黑的质量比例为8：1：1。
8.一种电池，其特征在于，所述电池使用权利要求7所述的电极。
9.一种超级电容器，其特征在于，所述超级电容器使用权利要求7所述的电极。
10.一种安装有权利要求8所述电池的汽车。
技术总结