[发明专利]介质碳电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种空心球介孔碳电极材料及其制备方法，属于无机纳米材料、电化学和新能源材料领域。

背景技术

超级电容器，是介于传统电容器和电池之间的一种新型储能系统，兼具常规电容器和电池这两种储能装置的优势，具有较高的功率密度和能量密度。且与二次电池相比，超级电容器具有漏电流小、充放电时间短、比功率高和循环寿命长等特点，可与二次电池组成混合电源系统用于满足电动汽车在启动、加速、爬坡时对充放电时间短要求。因此，超级电容器日益引起人们的广泛关注和研究兴趣。

电极材料是决定超级电容器性能的关键因素之一。根据超级电容器的储能机理——即双电层电容机理，理论上，比电容值随着电极材料比表面积的增加而增大。因此，具有大比表面积和良好导电性的碳材料成为超级电容器电极材料研究的热点。其中，活性炭因其具有很高的比表面积成为研究最早、最广泛的碳电极材料。但是，其电化学电容性能并不理想，特别是功率输出性能较差。归其原因，主要在于活性炭中孔径分布不均，且具有很高的微孔比重。其过小的孔径阻碍了电解液对碳表面的浸润和电解液在孔道中的传输。因此，近年来对碳凝胶、碳纳米管、有序介孔碳等新型碳材料的研究成为了热点。目前的研究结果表明，具有较大的孔径和高孔容积率的大比表面积的介孔碳材料具有较高的能量密度和良好的功率输出性能。

目前，制备介孔碳的方法主要有三种：催化活化法、混合聚合物碳化法和模板法。由于催化活化法和混合聚合物碳化法制备所得样品存在大量微孔使其介孔率相对较低，且很难对其孔结构进行调控，因此，模板法常被用于介孔材料的制备。但是，由于模板法过程繁琐、成本高，且有毒污染性强。而现有研究结果表明，电极材料的电容性能主要与比表面积利用率有关，而与有序、无序程度无直接关系。

因此，结合上述分析及目前存在的问题，本发明旨在寻找一种非模板下简单易行、周期短且环境友好的合成高介孔率的大介孔碳的新方法。

发明内容

本发明的第一目的在于获得一种非模板下简单易行、周期短且环境友好的合成高介孔率的大介孔碳。

本发明的第二目的在于获得一种非模板下简单易行、周期短且环境友好的合成高介孔率的大介孔碳的新方法。

本发明的第三目的在于获得一种非模板下简单易行、周期短且环境友好的合成高介孔率的介孔碳电极材料的电极。

本发明的第四目的在于获得一种本发明所述的介孔碳电极材料在电容制品中的应用。

本发明的第一方面提供一种介孔碳电极材料，所述介孔碳电极材料的介孔率不低于80%，且具有由10-20nm的介孔和3-6nm的孔壁构成的纳米空心球孔结构。

在本发明的一个具体实施方式中，所述空心球孔结构是由均一的纳米空心球组成，空心球孔结构是由10-20nm的介孔和3-6nm的孔壁构成。

在本发明的一个具体实施方式中，所述介孔碳电极材料的比表面积大于550m²g-¹之间，孔容大于1cm³g-¹之间。

本发明的第二方面提供一种本发明所述的介孔碳电极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)提供含碳源和造孔剂的凝胶；

(2)将所述凝胶在100-200℃预碳化，然后在保护气体下碳化，其中碳化温度不低于500℃，碳化时间2-6小时；得到碳化产物；

(3)用酸洗涤所述碳化产物后，进行后处理获得所述介孔碳电极材料，所述后处理包括分离、水洗、或干燥步骤。

在一个具体实施方式中采用下述方法进行制备介孔碳电极：

制备含碳源和造孔剂的凝胶；

将步骤(1)所得凝胶先在100-200℃预碳化，然后在保护气体下碳化，碳化温度450-650℃，碳化时间2-6小时；

用酸洗涤步骤(2)所得产物后，分离，水洗，干燥。

在本发明的一个具体实施方式中，所述碳源为碳的聚合物、含碳高分子或大分子。

在本发明的一个具体实施方式中，所述碳源为糖类碳源或是醇类碳源。

在本发明的一个具体实施方式中，所述造孔剂为高锰酸盐，按与碳源摩尔比0.25-1添加。

在本发明的一个具体实施方式中，选用的高锰酸盐为高锰酸钾，高锰酸纳或高锰酸铵。

在本发明的一个具体实施方式中，

所述步骤(1)的凝胶的制备过程中，采用的溶剂为去离子水和/或有机溶剂；和/或

所述步骤(2)的保护气体为惰性气体，优选氮气、氩气或其组合；和/或

所述步骤(3)的酸为盐酸、硝酸等。