[發明專利]一種生物微晶石墨-碳納米膜碳電極及其制備方法與電池

有效

• 申請號: 201811455215.7
• 申請日: 2018-11-30
• 公開（公告）號: CN111261848B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 葉瑛;夏天;張平萍
• 申請（專利權）人: 杭州怡萊珂科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/587;H01M4/62;H01M6/34;H01M10/0525;H01M10/054;H01M4/08;H01M4/1393;B82Y30/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 傅朝棟;張法高

本發明公開了一種生物微晶石墨?碳納米膜碳電極及其制備方法與電池。這種碳電極主要由具有植物微觀結構的微晶石墨組成，在微晶石墨之間，充填有碳納米膜和相互連通的微米至亞微米級微孔。在制備方法上，是以天然植物粉體為前軀體，通過結構保全和催化炭化技術獲得生物微晶石墨?碳納米膜碳材料，制備成本具有競爭優勢。生物微晶石墨?碳納米膜碳電極具有比表面積大，電化學活性和電導率高的優點，適合于用作鋰離子電池、鋁離子電池和其它各類二次電池的陰極，也適合于用作海水?鋁電池的陽極。這種碳電極有利于提高電池的容量及綜合性能，在高容量電池領域具有廣泛的應用前景，在化工、催化和功能性材料領域也具有一定的應用潛力。

技術領域

本發明屬于能源領域，具體涉及一種生物微晶石墨-碳納米膜碳電極及其制備方法與電池。

背景技術

在電極材料中添加石墨烯或碳納米管能顯著提高電極的性能，但石墨烯和碳納米管的制備技術復雜，價格不菲，將它們大規模應用于電極材料制備在成本上不具有市場競爭力。

在另一方面，許多草本、木本植物的組成主要為碳水化合物，而且它們的細胞組成了精細的中空結構，這些由植物細胞組成的中空結構在炭化后能形成富含類似于石墨烯和碳納米膜的碳素材料。從植物細胞到類石墨烯碳素材料的最大障礙是高溫煅燒過程中原始結構的收縮、坍塌和破壞。在高溫煅燒前，采用適當的固化技術，避免植物的原生結構在煅燒時被破壞，就能夠獲得類似石墨烯的生物微晶石墨。

發明內容

本發明的目的是提供一種生物微晶石墨-碳納米膜碳電極及其制備方法與電池。

本發明嘗試以天然植物粉體為前軀體，通過結構保全和催化炭化技術獲得生物微晶石墨-碳納米膜碳材料，并以此為基礎，提供一種高性能碳電極，嘗試將這種碳電極應用于高能量密度電池。本發明具體采用的技術方案如下：

第一方面，本發明提供了一種生物微晶石墨-碳納米膜碳電極，它是由具有植物結構的微晶石墨組成，在微晶石墨之間，充填有碳納米膜和相互連通的微米至亞微米級微孔。

第二方面，本發明提供了一種生物微晶石墨-碳納米膜碳電極的制備方法，它包括以下步驟：

1)將季銨鹽、聚乙二醇和硝酸鎳溶于水，配制成水溶液，其中季銨鹽和聚乙二醇的濃度均為4-6wt.％，硝酸鎳濃度2-3wt.％；

2)將碳源物質與所述水溶液混合，固液比為4:1至6:1，充分攪拌使物料混合均勻，然后在100至150℃將物料烘干；

3)在60-65wt.％的酚醛樹脂酒精溶液中加入造孔劑，攪拌均勻得到粘合劑，粘合劑中造孔劑的濃度為10-20wt.％；在烘干后的碳源物質中加入配制好的粘合劑，固液比為1:0.8至1:1.2，充分攪拌使混合均勻；

4)將混合物裝入專用模具中并預埋一根鎳絲作為連接外電路的導線，壓制成型后連同模具一起放入170℃至200℃烘箱中恒溫1-2小時，使酚醛樹脂固化，脫模后得到電極胚；

5)在氮氣保護下，將電極胚加熱到700至900℃，并恒溫2-5小時，得到生物微晶石墨-碳納米膜碳電極。

本發明中所說的專用模具是指用于壓制形成電極胚的模具，模具中具有與電極胚形態一致的型腔。

用作表面活性劑的季銨鹽推薦使用十六烷基三甲基溴化銨，聚乙二醇推薦使用分子量6000及以下的產品。

優選的，所述的碳源物質是木質纖維素、玉米芯粉、米糠粉、甘蔗渣粉等富含纖維素的植物粉末中的一種或數種。

優選的，所述的造孔劑是乙醇胺、丙醇胺、異丙醇胺、異丁醇胺中的一種或數種。