[發明專利]一種分級多孔碳及其制備方法與用途

有效

• 申請號: 202011324472.4
• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN112357921B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 胡涵;晁會霞;劉昭斌;邢濤;楊浩;劉海燕;牛國瑞;韓嘉;李智;張奎同
• 申請（專利權）人: 兗礦集團有限公司;中國石油大學（華東）
• 主分類號: C01B32/33
• 分類號: C01B32/33;H01G11/24;H01G11/44;H01G11/50
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

本發明公開了一種分級多孔碳及其制備方法與用途；所述分級多孔碳的制備方法包括如下步驟：(1)混合石油瀝青與碳酸氫鹽，得到混合料；(2)保護氣氛下煅燒步驟(1)所得混合料，煅燒結束后冷卻至室溫，得到煅燒料；(3)水洗步驟(2)所得煅燒料，干燥后得到所述分級多孔碳；所述分級多孔碳使用硬質石油瀝青與碳酸氫鹽為原料，原料來源廣泛且價格低廉；碳酸氫鹽具有極小的設備腐蝕性，而且不需要引入酸性試劑去除模板和活化劑，極大降低了工業生產流程和能耗；所述分級多孔碳用于正負極材料時具有良好的循環穩定性與理想的庫倫效率，具有良好的應用前景。

技術領域

本發明屬于儲能技術領域，涉及一種儲能材料，尤其涉及一種分級多孔碳及其制備方法與用途。

背景技術

隨著科技的飛速發展，不可再生能源的快速消耗，人們對于將可再生能源進行存儲和轉化的新型電化學儲能器件的需求愈演愈烈。到目前為止，市場上常見的儲能體系主要包括鋰離子電池和超級電容器。鋰離子電池因具有高的能量密度，被廣泛應用于手機、電腦、電動汽車等領域，但其缺點是循環壽命較差。相比于鋰離子電池，超級電容器表現出超高的功率密度，廣泛應用于微型器件、傳感器等領域，但較低的能量密度極大地限制了其發展前景。作為一種新型的電化學儲能器件，結合了鋰離子電池和超級電容器各自優勢的鋰離子電容器應運而生。鋰離子電容器由電池型的負極、電容型的正極以及含鋰有機電解質組成，兼具較高的能量密度和功率密度，同時還具有超長的循環壽命，頗具應用前景。截止目前，碳基材料構筑的高性能鋰離子電容器由于其正極和負極良好的動力學匹配性得到了研究者的廣泛關注。

電極材料是決定鋰離子電容器性能的主要因素，多孔炭材料因為優異的物理化學性質被廣泛應用于電化學儲能領域中。截止目前，已經有各式各樣的炭材料被研究及二次改性，諸如活性炭、二維碳納米片、碳納米纖維、碳納米球、碳納米管、碳量子點、石墨烯等。具有分級多孔骨架的多孔碳因為較高的比表面積，豐富的孔道結構以及良好的化學穩定性(耐強酸、耐強堿、耐高溫)被廣泛應用于各類電化學儲能器件之中。目前，工業制備碳基材料的原料主要來源于生物大分子(包括秸稈、花生殼、椰子殼、稻殼等)和重質油大分子(包括石油瀝青和煤瀝青等)，其中高含碳量和價格低廉的獨特優勢使得石油瀝青成為極具潛力的碳基材料前驅體。

因此，具有分級多孔骨架的多孔碳的制備原料主要包括葡萄糖、蔗糖、廢棄的植物外殼等有機和生物大分子以及重質油基大分子，制備方法主要包括硬模板法、軟模板法以及高溫強堿活化法。由于硬模板需要通過外加酸性試劑除去，生產過程繁瑣，同時消耗大量的酸性試劑，價格高昂，不符合綠色環保的發展理念。而軟模板成本較高，盡管不需要外加試劑去除模板，但對于原料和模板要求嚴格，基本無法實現工業化量產。采用強堿直接活化的方式制備多孔炭雖然過程簡單，但對于設備要求較高，同時強堿具有較強的腐蝕性，同時需要引入酸性試劑去除活化劑，操作復雜，進一步增加了生產操作成本。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種分級多孔碳及其制備方法與用途，所述分級多孔碳的制備原料來源廣泛，且對設備的腐蝕性較小，極大降低了工業生產的流程與成本，且制備得到的分級多孔碳作為電極活性物質用于金屬離子電容器、二次電池以及電動裝置時能夠提供良好的循環性能、能量密度與功率密度，具有良好的應用前景。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

第一方面，本發明提供了一種分級多孔碳的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

(1)均勻混合石油瀝青與碳酸氫鹽，得到混合料；

(2)保護氣氛下煅燒步驟(1)所得混合料，煅燒結束后冷卻至室溫，得到煅燒料；

(3)水洗步驟(2)所得煅燒料，干燥后得到所述分級多孔碳。

本發明所述室溫為15-30℃，例如可以是15℃、18℃、20℃、21℃、24℃、27℃、28℃或30℃，但不限于所列舉的數值，數值范圍內其它未列舉的數值同樣適用。