[发明专利]一种用于柔性超级电容器的分级多孔碳材料及其制备方法

说明书

一种用于柔性超级电容器的分级多孔碳材料及其制备方法，所述碳材料的孔结构包含微孔和介孔，所述微孔的平均孔径为1.0‑1.5nm，所述介孔的平均孔径为3.0‑4.0nm。所述分级多孔碳材料的制备方法为使用络合物溶液溶解生物质碳源，经过低温冷冻再在常温下解冻后得到混合溶液，再经喷雾干燥得到前驱体粉末，粉末经煅烧、冷却、刻蚀、洗涤和干燥处理后制得。将本发明所述的分级多孔碳材料用作柔性超级电容器电极材料时，多孔碳材料的大比表面积和分级孔结构为充放电中的离子传输提供通道，实现了超级电容器电极良好的倍率、循环性能，并且超级电容器在弯曲、折叠的状态下，仍然具有优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及超级电容器领域，尤其涉及用于柔性超级电容器的分级多孔碳材料及其制备方法。

技术背景

超级电容器与锂离子电池相比，具有快速充放电、循环寿命长、高功率密度的优势，已经广泛应用于交通运输、能源储存与转化、军事等领域。随着柔性/可折叠电子器件的发展，开发具有弯折稳定性的柔性超级电容器已成为目前储能领域研究的前沿之一。

柔性超级电容器通常以多孔碳为电极材料，尤其以活性炭最为突出。研究表明，具有分级多孔结构的碳材料对比单一孔结构的碳材料具有更好的电化学性能，对于柔性超级电容器的倍率性能和长循环性能的提升有至关重要的作用。然而，目前制备分级多孔碳材料的方法多采用强碱活化碳材料的方法，成本高且合成过程容易对环境造成污染，阻碍其在实际生产中的应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于柔性超级电容器的分级多孔碳材料及其制备方法，其具体技术方案为：

一种用于柔性超级电容器的分级多孔碳材料，所述碳材料前驱体为低成本生物质材料，其结构为分级多孔结构。

所述碳材料的孔结构包含微孔和介孔，所述微孔的平均孔径为1.0-1.5nm，所述介孔的平均孔径为3.0-4.0nm。所述分级多孔碳材料的比表面积为700-1100m²/g。

所述分级多孔碳材料的微孔所占比表面积为51％-85％，介孔所占比表面积为15％-49％。

所述分级多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：使用络合物溶液溶解生物质碳源后得到碳源溶液，将碳源溶液经过低温冷冻10h后在常温下解冻后得到混合溶液；将的混合溶液经喷雾干燥后得到前驱体粉末；将得到的前驱体粉末经煅烧、冷却、刻蚀、洗涤和干燥处理后即得到所述的分级多孔碳材料。

所述络合物溶液为铜氨络合物溶液和锌氨络合物溶液中的一种。

所述生物质碳源为纤维素、葡萄糖、淀粉和蔗糖中的一种。

所述冷冻温度范围为-20℃～-10℃，常温解冻温度范围为15℃-30℃。

所述喷雾干燥的温度为160-180℃，所述喷雾干燥的流速为1mL/min-5mL/min。

所述煅烧、冷却过程为将喷雾干燥后的粉末置于惰性气氛下，从室温起以1℃/min-5℃/min的升温速率升温至600-1200℃并保持10h后自然冷却至室温。所述惰性气氛为氩气和氮气中的一种或两种混合气。

所述刻蚀过程、洗涤过程为使用硝酸水溶液对煅烧、冷却后的材料浸泡24h后，进行抽滤，使用去离子水洗涤材料为中性。所述硝酸水溶液的浓度为3mol/l。

所述干燥过程为使用冷冻干燥方法，在-65℃下真空干燥24h-48h。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明使用生物质作为碳源，大大降低生产成本。

(2)本发明中使用的络合物溶液一方面可以溶解生物质碳源，另一方面，在煅烧过程得到的氧化物又可以作为生成碳材料中分级多孔结构的硬模板。