[0001] 本发明涉及水泥基电容技术领域，具体而言，涉及一种水泥基双电层电极材料制备工艺、水泥基双电层电极、超级电容器及电子设备。

[0002] 现阶段，建筑储能/结构一体化对水泥基超级电容器需求迫切，若水泥基超级电容器想要具备良好的电化学性能，则电极材料需要有足够大的比表面积、联通孔隙结构与导电性能。

[0003] 传统的方式是将碳纤维、碳纳米管等材料添加于水泥基材料中，形成导电网络，以此来制备水泥基电容器。但由于水泥基材料孔隙联通程度有限，且制备电容器时电解质与电极材料难以充分接触，导致其电化学性能难以提升。

[0004] 有鉴于此，特提出本申请。

[0053] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

[0054] 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0055] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

[0056] 术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0057] 此外，术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。

[0058] 在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0059] 为了解决现有技术中的不足，本实施例提供一种水泥基双电层电极材料制备工艺，其包括如下步骤：

[0060] S1、将10～50重量份的纳米金属物料、0.1～5重量份的硅烷偶联剂和3～8重量份的硅铝质纳米材料加入10～200重量份的水中进行分散，得到改性纳米金属流体。其中，纳米金属物料包括纳米铜粉料、纳米铁粉料、纳米镍粉料中的至少一者；硅铝质纳米材料包括纳米石英粉、纳米硅灰、纳米粉煤灰、纳米偏高岭土粉、纳米火山石粉、纳米沸石粉中的至少一者。硅烷偶联剂可以采用的型号包括但不限于：KH‑550、KH‑560、KH‑570、KH‑602。

[0061] S2、制备水泥浆料，在水泥浆料中加入S1中制得的改性纳米金属流体，搅拌均匀，得到改性水泥浆料。其中，水泥浆料和改性纳米金属流体的体积比为1:(1～95)。水泥浆料通过如下方式制备得到：将重量比为(0.3～1.2)：1的水和胶凝材料搅拌混合得到，胶凝材料包括硅酸盐水泥、磷酸镁水泥、硫铝水泥、铝酸盐水泥中的至少一者。

[0062] S3、将S2中制得的改性水泥浆料进行成型养护，硬化后得到水泥基双电层电极材料。

[0063] S4、将S3中制得的水泥基双电层电极材料浸渍于有机溶液中，将浸渍后的水泥基双电层电极材料在惰性气氛下进行热处理，至吸附于水泥基双电层电极材料内的有机物炭化，得到具有炭导电网络的水泥基双电层电极材料。其中，可选的，有机溶液为含碳链的有机物溶液，包括但不限于：树脂溶液、葡萄糖溶液。热处理温度可选为600～800℃，热处理时间可选为大于或等于5min。

[0064] 在本实施例的技术方案中，在制备改性纳米金属流体的过程中，硅烷偶联剂对纳米金属物料的颗粒进行表面改性，部分硅铝质纳米材料通过硅烷偶联剂枝接于纳米金属物料的颗粒上，使得纳米金属物料的颗粒表面具有硅羟基或铝羟基。

[0065] 将改性纳米金属流体添加于水泥浆料后，由于大量的水未参与水化反应并填充于水泥浆料内，在水泥浆料中形成大量联通的毛细通道。由于改性纳米金属流体的纳米金属被引入毛细通道内，一部分纳米金属沉积到毛细通道内表面，另一部分纳米金属悬浮于毛细通道内的溶液中。

[0066] 水泥水化时，由于纳米金属颗粒表面枝接有硅羟基和铝羟基，能够诱导水泥水化产物逐步在毛细通道内表面、毛细通道内的溶液中的纳米金属位点上生成，将纳米金属定位在联通的毛细通道内部和毛细通道的内表面，从而构建出联通式的双电层导电骨架。

[0067] 其中，纳米金属在毛细通道内、及毛细通道内表面搭接形成的双电层导电骨架不会封闭孔隙，多为联通孔，从而使制得的水泥基双电层电极材料能够达到超级电容器的电极材料的要求。

[0068] 此外，得益于纳米金属颗粒存在于毛细通道中，能够促进毛细通道内的水化产物搭接形成网络结构，从而进一步细化毛细通道的孔隙结构，增大孔隙比表面积，进一步提升水泥基双电层电极材料的电化学性能。

[0069] 示例性的，以10重量份纳米铁粉料、0.5重量份硅烷偶联剂(KH602)、8重量份纳米沸石粉和100重量份水制备改性纳米金属流体。水泥浆料和改性纳米金属流体的体积比选择为1:60制备改性水泥浆料，水泥浆料的水和胶凝材料的质量比(水胶比)为0.3：1。以葡萄糖为有机溶剂浸渍水泥基双电层电极材料，并于800℃热处理10min得到具有炭导电网络的水泥基双电层电极材料。

[0070] 如图1所示，为前述制备得到的具有炭导电网络的水泥基双电层电极材料表现出的电化学性能。在0.0～0.9V(vs.Ag/AgCl)的电压范围内能实现可逆的表面电荷存储和释放，且在较大的扫描速度下仍保持良好的电容特性，符合超级电容器材料的要求。

[0071] 如图2所示，为前述制备得到的具有炭导电网络的水泥基双电层电极材料表现出的充放电性能。在0.1A/g电流密度下比电容为85.71F/g，在0.0‑0.9V(vs.Ag/AgCl)的电压范围内能实现可逆充放电，与循环伏安法所得结果相符。充放电曲线无平台区域，符合双电层电极材料特征，且在较大的电流密度下能实现快速充放电，符合构建高功率密度超级电容器的要求。

[0072] 总体而言，本发明实施例提供的水泥基双电层电极材料，能够构建出联通的双电层导电骨架，且双电层导电骨架不会封闭孔隙，多为联通孔，使得水泥基双电层电极材料能够达到超级电容器电极材料的要求，同时有效增大了孔隙比表面积，提升了整体的电化学性能。

[0073] 为了有效提高S1中对纳米金属物料、硅烷偶联剂、硅铝质纳米材料和水的分散效率，同时确保分散效果，利用分散装置对纳米金属物料、硅烷偶联剂、硅铝质纳米材料和水进行分散，以得到改性纳米金属流体。

[0074] 在本实施例中，请结合图3～图11所示，分散装置包括：分散罐100、立柱110、顶座120、搅拌轴200、定位柱300和驱动轴400。

[0075] 立柱110架设于分散罐100顶部，顶座120安装于立柱110的顶部，顶座120与分散罐100间隔设置，顶座120平行于分散罐100的顶壁。

[0076] 搅拌轴200贯穿分散罐100的顶壁并沿分散罐100的高度方向设置。沿搅拌轴200的轴向，搅拌轴200与分散罐100顶壁滑动配合。沿搅拌轴200的周向，搅拌轴200与分散罐100顶壁转动配合。搅拌轴200具有搅拌叶，搅拌轴200为中空结构，且搅拌轴200的顶部为敞开结构，即搅拌轴200的顶部具有与其内腔连通的开口。

[0077] 驱动轴400可转动地安装于顶座120并与搅拌轴200同轴设置，驱动轴400延伸至搅拌轴200内。定位柱300为4根，4根定位柱300均安装于顶座120与驱动轴400平行间隔设置，4根定位柱300沿驱动轴400的周向均匀间隔设置。

[0078] 其中，2根处于相对设置的定位柱300长度相对另外两根较短，该2根定位柱300的底部均安装有传动齿轮310。另外2根相对设置的定位柱300长度较长，该另外2根定位柱300朝搅拌轴200的底端延伸并延伸超过传动齿轮310，该另外2根定位柱300固定连接有间隔设置的第一挡板320和第二挡板330，第一挡板320和第二挡板330均垂直于驱动轴400，第二挡板330位于第一挡板320靠近搅拌轴200底端的一侧，第一挡板320和第二挡板330均开设有供驱动轴400穿过的缺口。

[0079] 第一挡板320和第二挡板330均位于传动齿轮310靠近搅拌轴200底端的一侧，第一挡板320和第二挡板330二者与搅拌轴200的内壁之间留有间隙。

[0080] 驱动轴400的上半段具有外齿圈，传动齿轮310与外齿圈啮合。搅拌轴200的内壁具有内花键，内花键由搅拌轴200的顶部朝底部延伸，传动齿轮310与内花键啮合。

[0081] 驱动轴400的下半段具有外螺纹。搅拌轴200的内壁固定连接有配合座210，配合座210开设有供驱动轴400穿过的配合通孔，配合通孔的孔径大于驱动轴400的直径，配合座
210位于第一挡板320和第二挡板330之间。

[0082] 配合通孔的内壁的相对两侧均开设有容纳槽211，容纳槽211内容置有配合块212，沿驱动轴400的径向，配合块212滑动配合于容纳槽211。配合块212靠近驱动轴400的一侧具有用于与驱动轴400的外螺纹传动配合的配合齿213，配合块212远离驱动轴400的一侧开设有滑槽214，滑槽214相对驱动轴400倾斜设置，滑槽214的顶端与驱动轴400的间距大于其底端与驱动轴400的间距，滑槽214的顶端贯穿至配合块212远离驱动轴400的一侧侧壁。

[0083] 配合座210还具有控制杆215，控制杆215平行于驱动轴400设置，控制杆215贯穿配合座210并有阻尼地滑动配合于配合座210，控制杆215穿过容置槽，控制杆215位于配合块212远离驱动轴400的一侧。控制杆215固定连接有调节柱216，调节柱216垂直于控制杆215设置，且调节柱216可滑动地配合于滑槽214内，调节柱216由连接杆217固定连接于控制杆
215。

[0084] 配合座210和第一挡板320之间抵接有弹性件218。连接了第一挡板320和第二挡板330的2根定位柱300贯穿了配合座210，配合座210可滑动地配合于这2根定位柱300。

[0085] 驱动轴400由驱动器410驱动。

[0086] 配合座210处于第一工作状态时，配合座210的底部与第二挡板330贴合，控制杆215伸出于配合座210的顶部，配合块212通过配合齿213与驱动轴400贴合，以与驱动轴400传动配合。在此状态下，驱动轴400转动时，可以通过传动齿轮310驱动搅拌轴200，实现搅拌分散。与此同时，驱动轴400转动时，可以通过外螺纹将配合块212朝其顶部驱动，从而使配合块212朝其顶部运动，最终的结果就是搅拌轴200在转动的同时还可以向驱动轴400的顶部运动。在这个过程中，弹性件218被逐渐压缩。

[0087] 随着搅拌轴200向上运动，最终配合座210进入第二工作状态，在此状态下，配合座210的顶部与第一挡板320贴合，控制杆215被向下推动而伸出于配合座210的底部，控制杆
215向下运动时，调节柱216将配合块212朝远离驱动轴400的一侧推动，配合块212与驱动轴
400分离。此时，驱动轴400无法继续驱动配合座210，在弹性件218的弹力和搅拌轴200自身的重力作用下，搅拌轴200转动的同时向下运动复位，直至配合座210重新与第二挡板330贴合而重新回到第一工作状态。如此往复。

[0088] 通过以上设计，在利用搅拌轴200进行搅拌分散的同时，还能够控制搅拌轴200和搅拌叶沿分散罐100的高度方向往复运动，有效提高搅拌的充分性，避免出现搅拌死区。

[0089] 进一步的，搅拌叶包括：配合杆510、搅拌环520、照明光源530和镜头540。

[0090] 配合杆510沿搅拌轴200的径向设置且贯穿搅拌轴200，配合杆510滑动配合于搅拌轴200并滑动密封。

[0091] 配合杆510的两端端部均安装有搅拌环520，照明光源530和镜头540沿搅拌轴200的内环面的周向交替式均匀间隔设置。

[0092] 搅拌轴200内设置有往复式驱动机构(图中未示出)，往复式驱动机构与配合杆510传动配合，用于驱动配合杆510沿搅拌轴200的径向往复式运动，从而改变搅拌环520在径向上的位置。

[0093] 镜头540可以与一控制端电性连接，控制端包括但不限于：电脑、手机。搅拌环520不仅能够提高搅拌效果，而且还可以在照明光源530的照明作用下利用镜头540对流经搅拌环520的混合相进行图像捕捉，根据对图像数据的分析来判断分散的充分性。结合在搅拌过程中搅拌环520径向和轴向未知的变化，可以对整个混合相的图像数据进行采集，结合图像数据分析，可以确定混合相的整体均匀度和分散充分性。

[0094] 可选的，本实施例还提供一种水泥基双电层电极，其由上述的水泥基双电层电极材料制备得到。

[0095] 可选的，本实施例还提供一种超级电容器，该超级电容器包括：上述的水泥基双电层电极材料、或上述的水泥基双电层电极。

[0096] 可选的，本实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括：上述的水泥基双电层电极材料、上述的水泥基双电层电极、或上述的超级电容器。

[0097] 基于水泥基双电层电极材料进一步应用的水泥基双电层电极、超级电容器及电子设备的电化学性能得到了进一步提升。

[0098] 综上所述，本发明实施例提供的水泥基双电层电极材料，能够构建出联通的双电层导电骨架，且双电层导电骨架不会封闭孔隙，多为联通孔，使得水泥基双电层电极材料能够达到超级电容器电极材料的要求，同时有效增大了孔隙比表面积，提升了整体的电化学性能。基于水泥基双电层电极材料进一步应用的水泥基双电层电极、超级电容器及电子设备的电化学性能得到了进一步提升。

[0099] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。