[发明专利]一种定向调控多孔活性炭材料孔径和石墨化的方法及其在锂离子电容器中的应用

说明书

本发明公开了一种定向调控多孔活性炭材料孔径和石墨化的方法及其在锂离子电容器中的应用。将有机配体与锌离子及钴离子进行配位反应，得到前驱体；所述前驱体经过煅烧处理及酸洗处理，得到多孔碳材料；所述多孔碳材料与活化剂混匀进行活化处理，得到多孔活性炭材料；多孔活性炭材料的孔径及石墨化通过锌离子和钴离子的摩尔比例进行调控，通过调节锌离子和钴离子的摩尔比例在90％:10％左右，可以获得兼顾合适的孔径分布以及石墨化效应的多孔活性炭材料，作为正极用于构筑高性能的锂离子电容器。

技术领域

本发明涉及了一种多孔活性炭材料，具体涉及一种定向调控多孔活性炭材料孔径及石墨化的方法，并通过该方法合成一种具有适合孔径及石墨化程度的多孔活性炭材料，还涉及该多孔碳材料在锂离子电容器中的应用，属于电化学储能材料制备技术领域。

背景技术

锂离子电容器是由电池型负极和电容型正极组成，由于其高能量密度，高功率密度以及长循环稳定性的优势，在电动汽车，医疗设备，国家电网以及航天航空领域具有巨大的应用前景。然而，目前的锂离子电容器的能量密度和功率密度还没达到理想的程度，主要受限于负极与正极的电化学动力学不匹配的问题和低容量的正极带来的电极制造困难和质量匹配难等问题。目前，商业化的活性炭是锂离子电容器常用的正极材料，虽然它拥有较大的比表面积(约1500m² g^-1)，但是其容量十分不理想，不到40mAh g^-1。这是因为活性炭具有较窄的孔隙率，不利于储存溶剂化的PF₆^-阴离子。为了提升正极碳材料的容量，促进锂离子电容器的发展，表面官能化和引入法拉第电容方面进行了相应的研究。正极碳材料性能的表现是基于双电层电容的行为，而影响双电层电容的根本原因是孔特性。然而，目前许多的研究重点只仅仅局限于超级电容器有机系的研究，在锂离子电容器方面的研究十分少。因此，探寻合适的孔径是提升正极碳材料性能，推进锂离子电容器发展的关键因素。为了比较系统地研究孔径的影响，早期Yury Gogotsi通过氯气和碳化钛反应得到微孔的碳材料，研究碳材料不同微孔特性在四氟硼酸四乙基胺电解液的电容行为，得到一定的结论。可是此制备方法比较危险且操作复杂。此外，目前还没有报道系统地研究多孔碳材料的孔径在LiPF₆电解液的电容行为。此外，石墨化效应也是影响碳材料性能的关键一环，它能够提升碳材料的电导率，从而进一步提升碳材料的性能。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种通过设计锌钴混合金属配位聚合物，并通过锌钴混合金属比例来定向同时调控多孔活性炭材料的比表面积和石墨化程度的方法。

本发明的第二个目的是在于提供一种同时兼具适当孔结构和石墨化程度的多孔活性炭材料，该碳材料特别适合制备能量密度高、循环性能好的锂离子电容器。

本发明的第三个目的是在于提供一种通过控制锌钴混合金属比例在合适范围内，制备具有适当孔结构和石墨化程度的多孔活性炭材料的方法，该简单、低成本，有利于工业化生产。

本发明的第四个目的是在于提供一种具有适当孔结构和石墨化程度的多孔活性炭材料的应用，该多孔活性炭材料制备的锂离子电容器表现出高能量密度。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种定向调控多孔活性炭材料孔径及石墨化的方法，该方法是将有机配体与锌离子及钴离子进行配位反应，得到前驱体；所述前驱体经过煅烧处理及酸洗处理，得到多孔碳材料；所述多孔碳材料与活化剂混匀进行活化处理，得到多孔活性炭材料；所述多孔活性炭材料的孔径及石墨化通过锌离子和钴离子的摩尔比例进行调控。

优选的方案，有机配体摩尔量与锌离子和钴离子的总摩尔量之比为3～5:1。最优选为4:1。