[发明专利]一种石墨化碳材料及其制备方法和超级电容

说明书

本发明属于碳材料领域，尤其涉及一种石墨化碳材料及其制备方法和超级电容。本发明提供的石墨化碳材料可以实现体相石墨化，石墨化程度为20～90％，平均孔径为2～5nm，孔隙率为1.0～1.6cm3/g，振实密度为0.2～0.5g/mL。由该石墨化碳材料制备的超级电容器表现出较高的能量密度，具有很强的实际应用价值。实验结果表明，采用本发明提供的石墨化碳材料制得的超级电容器的能量密度大于10Wh/kg，功率密度大于20kW/kg，10C倍率下10000次循环后容量衰减小于5％。

技术领域

本发明属于碳材料领域，尤其涉及一种石墨化碳材料及其制备方法和超级电容。

背景技术

当前，能源和环境问题的日益突出使得电能、清洁能源的高效存储及转换成为集中关注的问题。活性炭由于具有价格低廉、来源广泛、体积比容量较高、制备简单等优点。目前在商用超级电容器中得到广泛使用，其原理主要是通过活性炭高比表面积与电解液的界面上静电离子吸附/脱附实现电能的存储，具有高功率密度、可快速充放电、百万次级别长循环寿命和安全可靠等特性。

商用的活性炭比表面积高达1000～2000m2/g，然而，目前使用活性炭制备的商用超级电容器能量密度仅为5～7Wh/kg，远低于期望值。其中很重要的一个原因是活性炭的导电性较差，导电性差不仅影响活性炭单位面积的利用率，同时影响其功率密度和倍率性能等。目前广泛使用的方式是通过添加导电添加剂改善活性炭的导电性，比如活性炭电极中添加一定比例的超级炭黑、碳纳米管和石墨烯等。但是由于导电剂的添加只是降低活性炭颗粒间的接触电阻，提高离子/电子在活性炭颗粒外部扩散速率，因此采用添加导电剂的方式并不能显著提升活性炭导电性能，采用添加有导电剂的活性炭制得的商用超级电容器的能量密度依然较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种石墨化碳材料及其制备方法和超级电容，采用本发明提供的石墨化碳材料制得的超级电容能量密度高。

本发明提供了一种石墨化碳材料，所述石墨化碳材料的石墨化程度为20～90％，平均孔径为2～5nm，孔隙率为1.0～1.6cm3/g，振实密度为0.2～0.5g/mL。

优选的，所述石墨化碳材料的石墨化程度为30％～80％。

本发明提供了一种上述技术方案所述的石墨化碳材料的制备方法，包括以下步骤：

a)、碳源与金属催化剂混合，得到吸附有金属催化剂的碳源；

所述金属催化剂包括镍盐、铁盐、钼盐、钴盐和钨盐中的一种或多种；

所述碳源与金属催化剂的质量比为1：(0.001～2)；

b)、所述吸附有金属催化剂的碳源与活化剂混合，得到前驱体；

所述活化剂包括水蒸气、氢氧化钾、磷酸、氯化锌和氢氧化钠中的一种或多种；

所述活化剂与步骤a)中所述碳源的质量比为(0.5～10)：1；

c)、所述前驱体在惰性气体气氛中加热碳化，得到石墨化碳材料。

优选的，所述加热碳化的温度为600～1000℃；所述加热碳化的时间为0.1～24h。

优选的，所述碳源选自无定形碳、树脂材料和生物质材料中的一种或多种。

优选的，步骤a)中，所述碳源与金属催化剂混合之前，先使用改性剂对碳源进行改性；

所述改性剂包括乙醇、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、磷酸、草酸、柠檬酸、硝酸、高锰酸钾、双氧水、氯化钙、丙烯酸甲酯、二硫化碳、巯基乙醇、氯化钾、氯化镁、臭氧、氯气和二氧化氮中的一种或多种。