[發明專利]一種用于柔性超級電容器的分級多孔碳材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201910093623.0
• 申請日: 2019-01-30
• 公開（公告）號: CN109850866B
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 王憲芬;王超;趙修松
• 申請（專利權）人: 青島大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01G11/44
• 代理公司: 青島科通知橋知識產權代理事務所(普通合伙) 37273
• 代理人: 張曉

一種用于柔性超級電容器的分級多孔碳材料及其制備方法，所述碳材料的孔結構包含微孔和介孔，所述微孔的平均孔徑為1.0?1.5nm，所述介孔的平均孔徑為3.0?4.0nm。所述分級多孔碳材料的制備方法為使用絡合物溶液溶解生物質碳源，經過低溫冷凍再在常溫下解凍后得到混合溶液，再經噴霧干燥得到前驅體粉末，粉末經煅燒、冷卻、刻蝕、洗滌和干燥處理后制得。將本發明所述的分級多孔碳材料用作柔性超級電容器電極材料時，多孔碳材料的大比表面積和分級孔結構為充放電中的離子傳輸提供通道，實現了超級電容器電極良好的倍率、循環性能，并且超級電容器在彎曲、折疊的狀態下，仍然具有優異的電化學性能。

技術領域

本發明涉及超級電容器領域，尤其涉及用于柔性超級電容器的分級多孔碳材料及其制備方法。

技術背景

超級電容器與鋰離子電池相比，具有快速充放電、循環壽命長、高功率密度的優勢，已經廣泛應用于交通運輸、能源儲存與轉化、軍事等領域。隨著柔性/可折疊電子器件的發展，開發具有彎折穩定性的柔性超級電容器已成為目前儲能領域研究的前沿之一。

柔性超級電容器通常以多孔碳為電極材料，尤其以活性炭最為突出。研究表明，具有分級多孔結構的碳材料對比單一孔結構的碳材料具有更好的電化學性能，對于柔性超級電容器的倍率性能和長循環性能的提升有至關重要的作用。然而，目前制備分級多孔碳材料的方法多采用強堿活化碳材料的方法，成本高且合成過程容易對環境造成污染，阻礙其在實際生產中的應用。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種用于柔性超級電容器的分級多孔碳材料及其制備方法，其具體技術方案為：

一種用于柔性超級電容器的分級多孔碳材料，所述碳材料前驅體為低成本生物質材料，其結構為分級多孔結構。

所述碳材料的孔結構包含微孔和介孔，所述微孔的平均孔徑為1.0-1.5nm，所述介孔的平均孔徑為3.0-4.0nm。所述分級多孔碳材料的比表面積為700-1100m²/g。

所述分級多孔碳材料的微孔所占比表面積為51％-85％，介孔所占比表面積為15％-49％。

所述分級多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：使用絡合物溶液溶解生物質碳源后得到碳源溶液，將碳源溶液經過低溫冷凍10h后在常溫下解凍后得到混合溶液；將的混合溶液經噴霧干燥后得到前驅體粉末；將得到的前驅體粉末經煅燒、冷卻、刻蝕、洗滌和干燥處理后即得到所述的分級多孔碳材料。

所述絡合物溶液為銅氨絡合物溶液和鋅氨絡合物溶液中的一種。

所述生物質碳源為纖維素、葡萄糖、淀粉和蔗糖中的一種。

所述冷凍溫度范圍為-20℃～-10℃，常溫解凍溫度范圍為15℃-30℃。

所述噴霧干燥的溫度為160-180℃，所述噴霧干燥的流速為1mL/min-5mL/min。

所述煅燒、冷卻過程為將噴霧干燥后的粉末置于惰性氣氛下，從室溫起以1℃/min-5℃/min的升溫速率升溫至600-1200℃并保持10h后自然冷卻至室溫。所述惰性氣氛為氬氣和氮氣中的一種或兩種混合氣。

所述刻蝕過程、洗滌過程為使用硝酸水溶液對煅燒、冷卻后的材料浸泡24h后，進行抽濾，使用去離子水洗滌材料為中性。所述硝酸水溶液的濃度為3mol/l。

所述干燥過程為使用冷凍干燥方法，在-65℃下真空干燥24h-48h。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

(1)本發明使用生物質作為碳源，大大降低生產成本。

(2)本發明中使用的絡合物溶液一方面可以溶解生物質碳源，另一方面，在煅燒過程得到的氧化物又可以作為生成碳材料中分級多孔結構的硬模板。