[發明專利]一種多孔石墨材料及制備方法和在超級電容器應用

在審

• 申請號: 201910316914.1
• 申請日: 2019-04-19
• 公開（公告）號: CN109928389A
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: 周新建;孫易晨
• 申請（專利權）人: 北京協同創新研究院
• 主分類號: C01B32/205
• 分類號: C01B32/205;H01G11/26;H01G11/44;H01G11/86
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王文君;陳征

本發明屬于超級電容器領域，具體涉及一種多孔石墨材料及制備方法和超級電容器，所述石墨材料的比表面積為3500?4000m²/g，孔隙率大于2cm³/g，孔徑小于2nm的微孔占比超過80％，比電容大于200F/g。本發明制備得到的用于超級電容器的多孔石墨具有更高的比表面積、孔隙率、更小的孔徑以及更均勻的三維結構。所制備的超級電容器電極具有更高的比電容，性能更穩定，壽命更長。

技術領域

本發明涉及超級電容器用石墨材料及其制備，尤其涉及一種用于超級電容器制備的多孔石墨材料。

背景技術

超級電容器是一種介于電池和傳統電容器之間的新型儲能元件，具有大容量、高功率密度及循環壽命長等特點。在電動汽車、消費電子、能源電力、交通運輸及航空航天等領域都有著廣泛的應用。

超級電容器可分為兩類：第一類是雙電層超級電容器，主要電極材料為活性炭、石墨、碳纖維和碳納米管等；第二類是法拉第準電容超級電容器，主要電極材料為NiO、RuO₂和MnO₂等。非晶態的RuO₂是一種較好的電極材料，但價格昂貴，且貴金屬對環境有污染。活性炭(AC)材料是碳基超級電容器的核心材料。使用成本較低、環保的碳材料來提高超級電容器的性能是研究的重點。活性炭的生產歷史悠久、原材料豐富、價格低廉、電化學穩定性高。活性炭作為電容器電極材料依據的主要是其多孔特性，活性炭的孔結構包括大孔、中孔及微孔結構。在中孔和微孔結構中由于孔徑的限制，電解液擴散及電解質的遷移速率不高，因此會限制超級電容器的充放電功率即功率密度。對于很多的應用領域，要求能夠瞬間完成超大電流快速充放電，在這種情況下，現有的活性炭材料還很難滿足這一要求。目前世界各地的科學家都用不同的方法制備獲得了不同性能的活性炭，但其表面積基本很難達到3000m²/g以上，通常BET表面積在1900～3000m²/g的多孔活性炭在用于超級電容器的時候，在1mol/LH₂SO₄溶液中的比電容在200～3200F/g。這樣的性能能夠滿足通常的需求，但在越來越多高端需求和隨著新能源和智能穿戴設備的興起，對超級電容器的性能的要求也越來越高，其中碳材料的性能是提高超級電容器性能的重要一方面。

目前有研究制備出高表面積活性炭一般都是采用具有微觀結構優勢的植物材料、如稻殼、如椰殼、如秸稈等等，再利用特定的物理化學處理，然后碳化獲得高比表面積的活性炭材料，但對于純粹利用化學手段合成物制備獲得的高比表面積活性炭材料的技術目前還相對較少。

利用傳統的方法制備得到的活性炭在微觀結構上仍存在很多的不足，比如微觀三維結構不夠好，不夠均勻或者沒有三維結構，另外，孔隙率不夠大，沒有或者很少納米級別的微孔結構。這些原因綜合導致了所得到的活性炭材料的性能不夠穩定、或者不夠高，也報告通過這些碳材料獲得的超級電容器電極的壽命不夠長，因此這些性能亟待提高。

發明內容

本發明的第一個目的是保護一種多孔石墨材料，所述材料的孔隙率大于2cm³/g，孔徑小于2nm的微孔占比超過80％；所述材料的微觀結構為三維分叉結構。上述性能的石墨材料在用作超級電容器的電極時具有非常優異的性能，同等炭量的電容約為其他常用石墨材料的1.5-2倍。

上述三維分叉結構類似樹枝狀，每一個分叉的直徑約為100～200nm。

優選的，所述材料的比表面積為3500-4000m²/g，比電容大于200F/g。進一步滿足上述性能的情況下，材料的性能更優。

本發明保護一種多孔石墨材料的制備方法，其主要改進之處為，以聚丙烯酰胺和N,N-二甲基丙烯酰胺為主原料制備多孔石墨烯的過程中，制備得到水凝膠后對所述水凝膠進行溶脹和改性處理。