[發明專利]一種俄羅斯套娃狀多孔碳材料的制備方法及其應用于高性能鉀離子混合電容器

在審

• 申請號: 202211543054.3
• 申請日: 2022-12-03
• 公開（公告）號: CN115763098A
• 公開（公告）日: 2023-03-07
• 發明（設計）人: 應安國;趙成瑤;劉玉靜;劉中秋
• 申請（專利權）人: 曲阜師范大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/24;H01G11/44;H01G11/30;H01G11/04
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本發明屬于超級電容器技術領域。公開了一種俄羅斯套娃狀多孔碳材料的制備方法及其應用于高性能鉀離子混合電容器。所述方法包括將丙二酸二肼和氫氧化鉀以1：1的摩爾比同時加入球磨機，研磨和鼓氧氣30分鐘以上，將所得粉末移入管式爐在N₂氣氛下以2 ^oC min^?1的加熱速率加熱至800 ^oC并煅燒0.5小時，得到碳化產物，然后用去離子水和HCl（1 mol L^?1）對碳化產物進行多次洗滌，經過2天的冷凍干燥，得到最終產品。以俄羅斯套娃狀多孔碳為負極，活性炭為正極組裝的鉀離子混合電容器具有高能量密度，超高功率輸出以及長的循環壽命，突出了俄羅斯套娃式孔結構的優越性。本發明操作簡單且對環境友好，對三維孔道結構的設計，特別是多通道孔道結構的設計具有重要的指導意義。

技術領域

本發明屬于超級電容器技術領域。具體涉及鉀離子混合電容器的技術領域。尤其涉及一種俄羅斯套娃狀多孔碳材料的制備方法及其應用于高性能鉀離子混合電容器。

背景技術

高能量密度鋰離子電池和高功率密度超級電容器被廣泛用作現代便攜式電子和電動汽車的主要能源。通常情況下，堿金屬電池可以滿足電動汽車的能量密度需求，但不能滿足短時間充電的要求。而超級電容器呈現出與電池相反的情境。總之，具有高能量密度、高功率密度和高循環壽命的電子器件變得越來越迫切。混合離子電容器是一種新型的存儲設備，它將電池型和電容型電極組合在一起，既能滿足要求，又能在不犧牲其使用壽命的情況下在高功率下提供高能量。其中，鉀離子混合電容器因其成本低、殼層豐度遠高于鋰、較低的氧化還原電位而備受關注。特別是，水合K離子的斯托克斯半徑最小（3.6 ?），而Li⁺和Na⁺的斯托克斯半徑最小（4.8 ?和4.6 ?），表明水合K離子在水溶液中具有很強的輸運性質。更引人注目的是，水溶液電解液充電設備滿足固有的安全和低成本要求，但存在容量低的問題。盡管取得了一些進展，但關于水系鉀離子混合電容器的報道仍然很少。

近年來，碳質材料因其結構多樣、成本低、物理/化學穩定性好、比表面積大、具有優良的電解質通道等優點而成為鉀離子體系研究的熱點。在此基礎上，以碳材料為陰極和陽極的雙碳鉀離子混合電容器（DC-PIHCS）以其極低設備總成本、具有競爭力的K⁺存儲性能和固有的長期循環穩定性而最具工業前景。然而，不可回避的事實是，較大的K⁺半徑（K⁺為1.38，Li⁺為0.76）明顯阻礙了負極材料的插層行為，導致動力學緩慢和功率密度不足。更糟糕的是，顯著的體積膨脹（高達60%）會導致碳骨架結構失效和顯著的容量衰退，這不利于延長壽命。為了應對這些挑戰，開發具有令人滿意的性能的合適的主體材料對于DC-PIHCS至關重要。為了克服上述障礙，陽離子物種（Na⁺，K⁺，Al³⁺）預嵌插作為一種重要的策略，使碳陽極能夠容納大尺寸的K⁺，從而促進載流子動力學，確保結構穩定。此外，孔結構也會影響K⁺的遷移行為。據報道，具有多孔結構的碳基陽極材料可以承受巨大的體積應變，為快速的質量傳輸提供了良好的途徑，并暴露了大量的堿金屬離子存儲活性中心。緊隨其后的通常是大的表面積，通常由多孔骨架貢獻，這可能有助于由于吸附存儲機制而提高可逆容量和倍率性能。不可避免的是，大的比表面積往往會導致較寬的工作電壓范圍和有限的初始庫侖效率，從而限制了實際性能。控制孔型是優化碳質材料儲鉀性能的另一種有效方法。研究表明，與孔大小有關的電子性質對儲鉀行為具有重要意義，如容量、穩定性和倍率能力