[發明專利]一種高石墨化活性碳電極材料及其制備和應用

有效

• 申請號: 201611123844.0
• 申請日: 2016-12-08
• 公開（公告）號: CN108178156B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 孫公權;戚甫來;王素力
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C01B32/348
• 分類號: C01B32/348;H01G11/24;H01G11/32;H01G11/86;H01M4/583
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及一種高石墨化活性碳電極材料及其制備和應用，所述高石墨化活性碳的制備方法是將具有熱膨脹性質的碳前體在低溫下膨脹，形成一種凝膠結構；在經過一步活化過程形成高石墨化活性炭電極材料。這種電極材料具有較高的石墨化程度，極大地提升了材料的導電性；活化形成了發達的孔道結構，提供更多的活性位點及傳輸通道。這些優異的性質使得該材料在電化學儲能領域有著廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種超級電容器活性碳電極材料及其制備方法，具體涉及一種高石墨化活性碳電極材料及其制備和應用。

背景技術

超級電容器主要在電極與電解質界面形成雙電層進行能量儲存，其功率密度和能量密度介于二次電池與傳統物理電容器之間。由于超級電容器在充放電過程中不發生電化學反應，循環壽命可達十萬次，并且在大電流充放下性能優良。超級電容器具有較小的內阻，并能夠實現高倍率的充放，已經成為一種理想的新型能量儲存器件，已成功應用到電動車，手機電池等動力產品領域。目前超級電容器的電極材料多為碳基材料，包括活性碳，活性碳纖維等。然而上述碳材料多為無定型結構，而且為保持較高的比表面積形成豐富的微孔，這使得碳材料的導電性大幅下降。導電性的提高一般通過提高碳材料的石墨化程度來實現。目前較為常用的提高石墨化程度的方法有高溫煅燒與催化石墨化，過高的溫度不僅使比表面積降低而且能耗較大；而催化石墨化過程中引入的金屬離子難以清除，極大地縮短了超級電容器的使用壽命，同時引入一些安全隱患。因此開發新型的高石墨化活性炭的制備方法勢在必行。

發明內容

本發明針對高石墨化活性碳現有制備技術的不足，提出了一種高石墨化活性碳電極材料及其制備方法，本發明采用以下具體方案來實現：一種高石墨化活性碳電極材料微觀上具有類石墨烯綢帶的片層結構，所述片層為多孔結構，片層厚度為10nm-100nm之間。

所述片層長度和寬度分別為100nm-10μm。

所述碳電極材料的比表面積為1000-4000m²/g、孔隙率為0.5-3cm³/g、石墨化程度較高，從拉曼光譜表征的I_D/I_G小于1.2。

所述高石墨化活性碳電極材料的制備方法，包括以下步驟，

(1)碳前體的制備：將多元醇和無機酸混合均勻后于真空條件下加熱使其發生酯化反應，于酯化反應產物中加入氨基化合物的分散液，再次加熱使其發生成鹽反應，得碳前體；

(2)凝膠結構的多孔碳的制備：將步驟(1)所得碳前體于惰性氣氛中加熱預碳化處理，得凝膠結構的多孔碳，該多孔碳為片層交聯結構，能夠較好地與活化劑接觸，有助于得到較大比表面積的多孔碳材料。

(3)高石墨化活性碳電極材料的制備：將步驟(2)所得凝膠結構的多孔碳與活化劑混合后于惰性氣氛下進行活化處理。

步驟(1)中所述多元醇為季戊四醇、木糖醇、山梨醇中一種或兩種以上；所述無機酸為質量濃度20-90％硼酸、質量濃度20-85％磷酸、質量濃度20-98％硫酸、質量濃度20-80％硝酸中一種或兩種以上；所述氨基化合物為尿素、三聚氰胺、氰胺、氨基酸中一種或兩種以上；所述氨基化合物的分散液中的溶劑為水、甲醇、乙醇、乙二醇一種或兩種以上的混合液，氨基化合物的質量濃度3-50％；所述步驟(1)中多元醇與無機酸的物質的量的比為2:1-1:8；所述氨基化合物與酯化反應前無機酸的物質的量的比為5:1-1:5。

步驟(1)中所述酯化反應的條件為70-200℃下反應0.5-5h；真空度為0.03-0.2Mpa；步驟(1)中所述成鹽反應條件為30-150℃下反應2-24h。

步驟(2)或步驟(3)所述惰性氣氛為氮氣、氬氣、或氮氣和氬氣的混合氣。