[发明专利]炭基离子插层储能电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种炭基离子插层储能电极材料及其制备方法，属于炭基电极材料技术领域。

背景技术

炭材料因具有物化性能稳定、价格低廉、来源广泛、环境友好等特点被广泛的应用于电化学储能领域，特别是双电层电容器、锂离子电池电极材料的应用。目前，应用于储能领域的炭材料主要有：活性炭、活性炭纤维、碳纳米管、金属碳化物基炭材料、硬炭、石墨等。其中，双电层用电极材料如活性炭、活性炭纤维等主要依靠电极/ 电解液间产生的固/ 液界面双电层储存电荷，产生法拉级的电容量。根据电容器的能量密度计算公式E=1/2CV²（其中C 代表比电容，V 表示工作电压）可知，传统双电层电容器较低的能量密度（1~5wh/kg）限制了其在储能领域的进一步发展。

许多研究者都致力于从提高C的角度来努力提高器件的能量密度E。李春忠等以多孔氧化镁纳米片作为模板，多巴胺为碳前驱体，制备了具有一种介孔碳纳米片超级电容器电极材料，在0.1A/g电流密度下，以1mol/dm³ 硫酸溶液为电解液的双电层电容器，该电极材料质量比电容为216F/g(CN201210190112.9)。但基于双电层储能原理的多孔炭材料的比电容C的提高余地有限，主要受限于进一步提高多孔炭材料比表面积的难度。目前，多孔炭的比表面积能够做到3200m²/g，如果进一步提高，会造成电极材料在单位体积下的储能密度的大幅下降。因此，近年来更多的关注点转移到了提高炭质电极的耐电压特性V的提高上。传统多孔炭电极较大的比表面积造成碳悬键数量增加，即多孔炭表面的电化学反应活性位点增加，进而导致在高于2.7V以上出现不可逆的电化学反应，这一条件限制了有机系电化学电容器的安全工作电压必须低于2.7V(尽管有机电解液的电压范围4.0~4.5V)，致使电化学电容器能量密度受限。骞伟中等在“一种用于超级电容器的碳纳米电极材料的纯化方法”(CN201210135516.8)中采用液相处理出去无机氧化物载体、金属，金属硫化物，金属碳化物等，冷冻干燥、高温弱氧化性气体处理等方法获得了在4~6.5V耐电压性能的超级电容器碳纳米电极材料，但上述制备方法工艺操作较为复杂，成本较高。

因此基于电化学反应（例如离子插层反应）的电极在提高能量密度方面有更大的优势。由锂离子电池技术可知，炭材料如硬炭、石墨等可在更负的电势下被锂离子嵌入，进而获得较高的能量密度。基于上述分析，本文提出将一种具有较大容量和耐电压特性的炭基离子插层储能电极材料，该材料不同于硬炭和石墨材料，它是由有序的类石墨微晶和无序的乱层炭结构组成，在一定的电压下其有序结构能够进行离子插层储能，得到较高的电容量；另外，该材料具有较高的耐电压特性，不同于传统的高比表面积的多孔炭，该电极材料具有较低的比表面积，且经过高温炭化除去了一些杂原子及官能团，使得材料表面电化学反应活性位点的含量较少，从而降低了与电解液的不可逆反应活性，同时其无序结构在空间上限制了有序层状结构因大量离子进行插层反应而导致的片层脱落，进而较大地提高了材料的耐电压性能。该材料制备工艺简单，易于获得。

发明内容

本发明的目的在于提供一种炭基离子插层储能电极材料及其制备方法，该材料具有较高的比容量C及工作电压V，其制备方法过程简单。 

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种炭基离子插层储能电极材料，该材料为平均粒径20~50μm，其比表面积为278~1048m²/g，孔容为0.12~0.5cm³/g，其特征在于, 该材料由有序的类石墨微晶和无序的乱层炭结构组成，其中有序的类石墨微晶为该炭基电极材料结构的5%~10%，微晶尺寸为2~10nm，微晶的层间距为0.359～0.385nm；微晶周围为典型的无序的乱层炭结构。

上述结构的炭基离子插层储能电极材料的制备方法，其特征在于包括以下过程：

1）将煤焦油沥青或乙烯焦油沥青加入反应釜中，以0.5~1.2m³/h的速率通入氮气，持续搅拌下，以升温速率1~10℃/min升温至320~400℃，进行热缩聚反应2~6h，得到缩聚后的软化点为150~220℃沥青；