[發明專利]一種儲能用多孔炭材料的制備方法

無效

• 申請號: 200910043229.2
• 申請日: 2009-04-28
• 公開（公告）號: CN101531359A
• 公開（公告）日: 2009-09-16
• 發明（設計）人: 侯朝輝;何斌鴻;易健民;周寧波;閻建輝;唐課文;楊加偉
• 申請（專利權）人: 湖南理工學院;岳陽市馳瑞電子科技有限公司
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;H01G9/058;H01G9/042
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

所屬領域：

本發明屬于多孔炭材料制備技術領域，具體涉及一種可用于超級電容器及 鋰離子電池負極的新型多孔炭電極材料的制備方法。

背景技術：

超級電容器是一種儲能性能介于傳統電容器和二次電池之間的新型儲能裝 置，具有比二次電池更高的功率密度，比傳統電容器更高的能量密度，在短時 高功率放電工作狀況下有著二次電池和傳統電容器無法比擬的優勢，受到各工 業發達國家的高度重視。另外，由于具有很高的能量密度，在各類商品化的二 次儲能裝置中，鋰離子電池得到了非常廣泛的應用。

由于具有價廉易得、導熱導電性能好、化學穩定性良好、對環境友好等優 點，炭材料一直是超級電容器電極材料及鋰離子電池負極材料的首選。炭電極 材料是影響兩種儲能裝置儲能性能的重要因素。

超級電容器作為一種功率應用產品，大電流充放電能力是衡量其性能好壞 的關鍵因素。一方面，由于采用常規活性炭作為電極材料，活性炭材料的孔道 窄且彎曲，限制了電解質離子在其內部的擴散遷移，導致大電流充放電時電解 質離子來不及在電極的大部分表面上形成雙電層儲存電荷，只有少部分較大孔 徑孔隙的表面得到利用，從而造成電容器的能量密度下降；同時，活性炭內部 孔隙孔徑越小，孔隙內電解液電阻越大，電容器的內阻越大，電容器儲存電荷 時需要消耗能量克服內阻，導致電容器充放電效率和能量密度降低。另一方面， 受電極多孔炭的物相及表面結構限制，一般多孔炭的單位表面積比電容在 10-20μF/cm²之間，能量密度提升空間受到限制。因此，目前商品化超級電容器大 電流充放電時比能量-比功率性能欠佳的問題，限制了它的進一步推廣。

石墨晶體具有各向異性，從而使石墨基面和邊緣面的微分電容值存在很大 差異(分別約為3μF/cm²、50-70μF/cm²)。活性炭等無定型多孔工程炭材料都 是由六邊形炭環(石墨烯)按照各自不同的方式任意堆積而成的，石墨烯層同 樣具有各向異性。因此，僅僅通過增大比表面積，改善孔徑分布，使炭材料的 比電容(性能)得到提高的潛力有限。

對于以石墨無孔炭為負極的商品鋰離子電池，一方面，石墨化無孔炭與鋰 離子結合形成Li_xC₆(0<x<1)的反應機理，使其最高理論容量僅有372mAh/g， 0.0-0.3V(vs?Li/Li⁺)范圍內的可逆容量不超過200mAh/g；另一方面，顆粒狀 石墨化無孔炭導致鋰離子嵌入/脫嵌距離過長，限制了其功率密度的改善空間， 因此石墨化無孔炭鋰離子電池的比能量-比功率性能受到了先天限制。隨著需要 高能量密度、優異比能量-比功率性能儲能器件的產品(如電動汽車等)不斷推 出，目前鋰離子電池較低的功率密度已難以滿足這些產品的要求。

制備既有高能量密度，又有良好比能量-比功率性能的新型鋰離子電池炭負 極材料必須具備如下特點：(1)不完全的石墨化有序結構，保證其具有高于石 墨的儲能容量；(2)合適的孔結構，以提供良好的電解質離子傳遞通道；(3) 較短的Li⁺嵌入/脫嵌距離；(4)合適的比表面積，盡可能降低首次不可逆容量； (5)合適的物相結構。

六邊形炭環的堆積方式決定了炭材料的理化性能(比表面積、孔隙形狀、 孔徑分布、電導率、表面的反應活性等)。六邊形炭環的堆積方式是多孔炭材料 超電容及鋰離子電池負極性能的最終決定因素。超級電容器電極材料和鋰離子 電池負極材料對多孔炭有一定的共性要求。