[发明专利]一种基于模板法制备的碳纳米材料及其在全碳基锂离子电容器中的应用

说明书

对于器件中高能量密度和高功率密度的追求，全碳基锂离子电容器最近得到了广泛的研究。本发明基于以碳酸氢钠为模板来制备的碳纳米材料作为正负极，成功组装了一种具有较高能量‑功率密度结合的全碳基锂离子电容器。通过对正负极材料进一步的孔隙率调控和杂原子掺杂，获得的氮掺杂多孔碳纳米网具有高比表面积、多级孔结构、大量的活性位点，表现出了较好的润湿性和导电性、较低的内阻、并且富含赝电容。组装的全碳基锂离子电容器器件表现出了卓越的能量‑功率密度和超长的循环稳定性。从能量储存器件的前景来看，锂离子电容器的正负极采用同一种制备工艺来生产，这极大的缩减了工艺过程，具有成本低、方法简单、可大批量生产的优势。

技术领域

本发明属于电化学能源器件领域，提供了一种模板法制备氮掺杂多孔碳纳米电极材料的方法，以及将其作为锂离子电容器的正负极材料组装成全碳基锂离子电容器。

背景技术

新能源储存器件的开发一直是现代社会发展的挑战之一，能够解决环境问题和能源危机。在众多能源储存器件中，锂离子电池和超级电容器由于优异的电化学性能而广受关注。但是由于锂离子电池较低的功率密度和超级电容器较低的能量密度，两者的应用被大大的限制。锂离子电容器作为一种新型的储能器件兼具这两种器件的电化学性能，具有高能量密度、高功率密度、和长循环寿命等特性可以满足实际应用中负载对电源系统电化学性能的整体要求。

最近几年，全碳基锂离子电容器开始被关注。这种全碳基锂离子电容器正负极采用了相同的电极材料，但是运行着不同的能量储存机理。负极主要是锂离子在石墨层的嵌入和嵌出来实现能量的储存，而正极则是由于电荷的吸脱附来完成储能过程。组装的全碳基锂离子电容器不仅具有较高的能量密度，而且还具有较高的功率密度。更重要的是，从能源储存器件的前景来看，正负极使用相同的材料能够大量的缩减工艺过程，降低器件成本，具有极大的应用前景。因此，怎样设计电极材料的结构是目前的主要挑战之一。多孔碳材料由于其较大的比表面积、丰富的孔隙结构、和良好的导电性，成为目前主导的电极材料之一。为了实现全碳基器件的最高水准，对多孔碳材料的结构调整和表面功能优化还是很有必要的。目前采用模板法来制备碳材料可以实现大批量生产，并且用活化剂对孔隙率进行调控，杂原子掺杂对碳表面进行功能化修饰，这样可以获得一种高功能化的电极材料。

本专利是使用生物高分子材料（纤维素类、多糖类、木质素类、树脂类等）作为前驱体，采用模板法（模板剂：NaHCO₃、KHCO₃、Mg(HCO₃)₂等）在高温下进行化学活化和杂原子掺杂（活化剂：KOH、NaOH、FeCl₂、ZnCl₂等；氮源为：尿素、硫脲、双氰胺、三聚氰胺等）来获得氮掺杂多孔纳米碳。将这种氮掺杂的多孔碳材料作为锂离子电容器的正负极材料，实现了卓越的能源储存性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是用模板法制备氮掺杂的多孔碳，并将其作为锂离子电容器的正负极材料组装成全碳基锂离子电容器。

为了解决上述的技术问题，本发明采用的技术方案是：

取一定量的前驱体放置于烧杯中，按照一定的配比加入模板剂、活化剂和氮源，混合均匀后将其冷冻干燥。将干燥后的固体放入管式炉中，在惰性气氛保护下以一定的升温速度升温至碳化温度，并在此温度下保温一定时间进行碳化。将样品用稀盐酸和/或去离子水清洗去除杂质，干燥后得到氮掺杂的多孔碳纳米材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)利用碳酸氢钠等作为模板可以轻易的制备出多孔纳米碳，合成路线简单、环境友好无污染，可大批量的生产；

(2)获得的材料具有高比表面积、多级孔结构、大量的活性位点，表现出了较好的润湿性和导电性、较低的内阻、并且富含赝电容；