[發(fā)明專利]一種表面功能化碳材料及其制備方法以及應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710853688.1
• 申請(qǐng)日: 2017-09-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107651663B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 傅儒生;沈成緒;夏永高;劉兆平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所
• 主分類號(hào): C01B32/15
• 分類號(hào): C01B32/15;C01B32/05;H01M4/583;H01M10/0525;H01G11/32;H01G11/06
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 趙青朵

本發(fā)明提供了一種表面功能化碳材料的制備方法，本發(fā)明中有機(jī)碳源在高溫區(qū)域快速裂解，然后在低溫區(qū)域進(jìn)行沉積收集，得到表面氫含量較高的裂解碳，經(jīng)過(guò)弱氧化處理即可得到氧質(zhì)量百分比為10％～40％的表面氧功能化碳材料。本發(fā)明提供的制備方法簡(jiǎn)單易行，綠色環(huán)保，制備的表面功能化碳材料可運(yùn)用于鋰離子電池和鋰離子電容器負(fù)極材料，由本發(fā)明的功能化碳材料作為負(fù)極材料制得的鋰離子電池，可逆容量高，倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異，制得的鋰離子電容器能量密度和功率密度高，循環(huán)容量保持率較高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種表面功能化碳材料及其制備方法以及應(yīng)用。

背景技術(shù)

碳材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，例如石墨、中間相碳微球和硬碳可作為鋰離子電池負(fù)極材料，活性炭和硬碳可作為鋰離子電池電容器的電極材料。隨著應(yīng)用產(chǎn)品對(duì)能量密度和功率密度的要求不斷提高，碳材料的改性研究越來(lái)越重要。

目前硬碳的制備主要是利用生物質(zhì)碳材料或者有機(jī)高分子材料在惰性氣氛下經(jīng)過(guò)1000-1600℃高溫煅燒得到，高溫裂解硬碳材料作為鋰離子電池負(fù)極材料可逆容量較低，倍率性能較差。當(dāng)前大量科技文獻(xiàn)報(bào)道異質(zhì)原子氮、磷、硼、氟、硫和氧摻雜或者表面修飾可以有效提高碳材料的堿金屬離子贗電容行為，從而提高材料的能量密度和功率密度。其中化學(xué)氧化法是氧功能化碳材料中使用最廣泛，發(fā)展最成熟的功能化方法，在碳材料的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用中發(fā)揮非常重要的作用。

目前廣泛采用的化學(xué)氧化法違背了綠色化學(xué)的基本原則，存在嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題：(1)所使用的氧化劑(如KMnO₄，HNO₃)轉(zhuǎn)化為毒性重金屬離子(如Mn²⁺)或產(chǎn)生有毒有害氣體(如N_xO_y)；(2)以大量的濃硫酸為反應(yīng)介質(zhì)，產(chǎn)生大量酸性廢液，并給實(shí)驗(yàn)操作帶來(lái)安全隱患。廣大研究者普遍采用以KMnO₄和HNO₃為氧化劑，以硫酸為反應(yīng)介質(zhì)的液相氧化，而且這些氧化方法已被我國(guó)的中科時(shí)代納米(KMnO₄/H₂SO₄)，國(guó)外的US Research Nanomaterials(KMnO₄/H₂SO₄)、Nanolab(HNO₃/H₂SO₄)和Carbon Solutions(HNO₃)等公司用于工業(yè)化生產(chǎn)。中國(guó)專利CN106276857A通過(guò)改進(jìn)，采用綠色無(wú)害的氧化劑高鐵酸鉀，在機(jī)械力作用下對(duì)碳材料進(jìn)行氧化。綜上所述，當(dāng)前通常采用強(qiáng)氧化劑氧化碳材料制備氧功能化碳材料，存在環(huán)境污染，且得到的氧功能化碳材料運(yùn)用于鋰離子電池可以有效提高材料的可逆容量，但循環(huán)穩(wěn)定性較差[Journalof power sources 2010,195,7452-7456]。

因而，如何采用簡(jiǎn)易、環(huán)境友好方法大規(guī)模制備具有優(yōu)異儲(chǔ)鋰性能的氧功能化碳材料依然是亟待解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種表面功能化碳材料及其制備方法以及應(yīng)用，本發(fā)明提供的表面功能化碳材料的制備方法簡(jiǎn)單，環(huán)境友好，并且制得的氧功能化碳材料作為鋰離子電池負(fù)極材料具有較高的比容量，較好的倍率性能和較好的循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)，作為鋰離子電容器負(fù)極材料，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

本發(fā)明提供了一種表面功能化碳材料，包括：碳基體以及在所述碳基體表面修飾的含氧功能化基團(tuán)，所述表面功能化碳材料中氧的質(zhì)量百分比為10％～40％。

優(yōu)選的，所述碳基體的粒徑為20nm～2μm；所述含氧功能化基團(tuán)在所述碳基體表面修飾的厚度為10nm～1μm。

優(yōu)選的，所述含氧功能化基團(tuán)選自或中的一種或多種。

本發(fā)明還提供了一種上述表面功能化碳材料的制備方法，包括以下步驟：