[发明专利]松子壳衍生碳材料/三嗪聚合物衍生碳材料及其制备方法和应用、双碳钠离子混合电容器

说明书

本发明提供了一种松子壳衍生碳材料，其以松子壳为原料先进行预碳化再进行高温碳化并酸洗处理后制备得到，本发明还提供一种三嗪聚合物衍生碳材料，其以三嗪聚合物为原料，将该三嗪聚合物与碱性活化剂混合后进行煅烧，然后酸洗处理即得，本发明将所制备的松子壳衍生碳材料和三嗪聚合物衍生碳材料分别作为阳极材料和阴极材料应用到双碳钠离子混合电容器中，组装后的全碳钠离子混合电容器具有较高的能量密度以及稳定的循环能力。

技术领域

本发明具体涉及一种松子壳衍生碳材料及以松子壳为原料通过碳化等方法制备该碳材料的方法，还涉及一种三嗪聚合物衍生碳材料及其制备方法，并将所制备的松子壳衍生碳材料/三嗪聚合物衍生碳材料分别作为阳极材料和阴极材料应用到双碳钠离子混合电容器中，属于电化学储能器件领域。

背景技术

随着市场经济的快速发展和人民生活质量的提高，煤、石油、天然气等传统化石燃料已无法满足社会经济和人类可持续发展的需求。近期，我国对能源的发展趋势做出规划，降低化石燃料的供能比例，以提高可持续能源(如风能，太阳能，电能，潮汐能，地热能)所占的比例。在众多的新能源开发与利用过程中，以电能的形式进行大规模存储与供应，是新能源技术开发与利用的关键与核心。

电化学储能装置主要产品包括锂二次电池和超级电容器。锂电池可提供高能量密度(200Wh kg^-1)，广泛用于现代小型设备如移动电话，照相机等。现如今，诸如电动汽车、智能电网等大型设备的迅速兴起，使得表现出更高功率密度(500～20,000W kg^-1)、更长的循环寿命(10⁵～10⁶)且安全可靠的超级电容器得以应用。为了进一步提高超级电容器的能量密度，研究人员致力于设计一种由电容器型阴极和电池型阳极组装于有机系电解液中的新型的储能器件，称之为混合型离子电容器。在混合型电容器充电过程中，电解液中的阳离子通过插层进入阳极，类似于电池储能机理，同时阴离子可逆地吸附于阴极表面，类似于超级电容器储能机理，放电过程则相反。基于反应机理，插层效应可最大化电极材料的容量，吸附相对于插层，有助于提高倍率能力和循环性能。因此原则上，混合型电容器可在不牺牲功率密度和循环寿命的条件下进一步提高其能量密度以扩大应用市场。

混合型离子电容器一般分为锂离子混合电容器和钠离子混合电容器。由于钠资源丰富、价格低廉，钠离子混合电容器作为锂离子储能体系的有效替代产品，发展势头迅猛。通常，钠离子混合电容器的阳极采用钛基氧化物、过渡金属硫化物、片层状碳材料等实现对钠离子的嵌入/脱嵌；阴极则采用多孔碳材料对阴离子进行可逆地吸附/脱附。因此，钠离子混合电容器兼有电池和超级电容器的特点，既有比电池功率密度大、寿命长的特点，又有比超级电容器能量密度高的特征，但其所表现出的能量密度和循环寿命仍然不足。因此，目前，钠离子混合电容器制备的重点与难点在于匹配和优化阳极与阴极材料，以解决钠离子混合电容器能量密度低、循环寿命欠佳的科学难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种松子壳衍生碳材料，将其作为钠离子混合电容器的阳极活性物质予以应用。

本发明的另一个目的在于提供一种三嗪聚合物衍生碳材料，将其作为钠离子混合电容器的阴极活性物质予以应用。

本发明的再一个目的在于提供一种钠离子混合电容器，其为由所述松子壳衍生碳材料和三嗪聚合物衍生碳材料构成的双碳钠离子混合电容器。

为了实现本发明的第一个目的，本发明第一方面提供一种松子壳衍生碳材料，是将松子壳碳化 处理后得到的生物质衍生碳材料，所述松子壳衍生碳材料为无定形碳结构，松子壳衍生碳材料中的孔以介孔为主且平均孔径大于 2.77nm，所述松子壳衍生碳材料中的碳层间距为0.37nm以上。

在本发明第一方面的松子壳衍生碳材料中，作为一种优选方式，所述介孔孔径范围为2-50nm，更优选地，所述介孔孔径范围为2.3～37nm。