[发明专利]多孔碳产品及其用途

说明书

制备多孔碳体的已知方法，该方法包括提供了包括相互连通的孔的无机模板材料的模板，提供了碳前体物质，并用该前体物质渗透模板的孔，碳化该前体物质，以及除去该模板，以形成多孔碳产品。以此为起点，提供能低成本制备多孔碳结构并且其具有厚壁厚度的方法，根据本发明提出提供了可熔化材料的前体物质颗粒和模板颗粒，粉末混合物由所述颗粒形成，并且在根据方法步骤(d)的碳化之前或期间以一种方式加热该粉末混合物从而使前体物质熔体渗入模板颗粒的孔中。

说明书

本发明涉及用于制备多孔碳产品的方法，该方法包括下列步骤：

（a）提供了由包括相互连通的孔的无机模板材料构成的模板，

（b）提供了碳的前体物质，

（c）用该前体物质渗透所述模板的孔，

（d）碳化该前体物质，

（e）除去该模板，以形成多孔碳产品。

此外，本发明涉及该碳产品的合适用途。

碳的整料成形体例如用于燃料电池、超级电容及蓄电池(二次电池)的电极，并用作液体及气体的吸附剂、气体的储存介质、色谱应用或催化过程的载体材料、以及用作机械或医药工程的材料。

现有技术

可充电的锂电池的电极的应用需要能够在低电荷损失下可逆地嵌入及脱嵌锂的电极材料。同时，一个目的在于尽可能短的充电时间以及电池的高充电容量。因此，期望最大孔隙率(渗透率)，同时也期望尽可能小的表面的电极材料。具有大表面的电极材料展现相当高的电荷损失，这表明其在锂的第一次嵌入期间基本上为不可逆的损失。

DE 29 46 688 A1公开了通过采用多孔材料的临时预成型品(所谓的模板)来制备多孔碳的方法。此文中将碳的前体物质沉积于表面至少为1m²/g的无机模板材料的模板的孔中。SiO₂凝胶、多孔玻璃、氧化铝、或其它多孔耐热氧化物被视为所述模板的合适的模板材料。所述模板材料的孔隙率为至少40%，平均孔径为3nm至2μm的范围。

推荐可聚合有机材料，例如酚和六胺的混合物或是可溶性酚醛树脂为碳的前体物质。该混合物以液体或以气体引入模板的孔中并聚合。聚合及随后的碳化之后，除去该模板的无机模板材料，例如通过溶于NaOH或氢氟酸中。

这样产生了颗粒状或薄片状的碳产品，该产品具有大致对应于模板的材料分布的多孔结构，其基本适合作为制备Li电池电极的起始材料。

对于高而快的充电能力，容易进入内表面是决定性的。在这个背景下，所谓的“分级多孔性”结果是有利的。大表面可以通过纳米范围的孔提供。为提高这些孔的可进入性，理想地通过连续大孔的输送系统使它们相连。

US 2005/0169829 A1中叙述了具有这样的大孔及中孔的分级孔结构的整料碳产品。为了制备分级孔结构，制备了这样的SiO₂模板，其中由直径为800nm至10μm的二氧化硅珠粒和可聚合物质构成的分散体在模具中加热，从而聚合产生多孔二氧化硅，其在除去过量液体后干燥并完全聚合。

接着，用碳的前体物质浸渍以这种方式获得的SiO₂模板的孔，将该碳前体物质碳化成碳，并且随后通过溶于HF或NaOH中除去该SiO₂模板。由此获得的碳产品也展现出大致符合所述模板的材料分布的孔结构。溶于四氢呋喃(THF)的酚树脂用作前体物质。

技术目的

用于渗透的普通可石墨化碳前体材料不能以较高浓度溶解，而且含有一定量不可溶组分。例如，中间相沥青在THF中的溶解度小于10 体积%，以致于溶剂蒸发后，多于90%初始填充的孔体积保持未填充。在碳前体材料的残余涂层体积通过随后的碳化进一步降低，不过不明显。