[发明专利]整体式和分形碳泡沫及其制备方法和应用

说明书

一个整体式碳泡沫由熔融洋葱状碳纳米颗粒组成，其中，该整体式碳泡沫含有互连的孔，具有200m²/cc‑600m²/cc的体积微孔表面积，具有20s/cm‑140s/cm的电导率。还公开了由该整体式碳泡沫制备的分形碳泡沫、制备方法和由其构成的超级电容器。

对相关申请的交叉引用

本专利申请特此要求基于2019年5月23日提交的美国临时申请第62/851,793号的优先权。此外，美国临时专利申请的全部内容和公开内容通过引用整体并入本文。

背景技术

技术领域

本发明总体上涉及高度多孔的碳泡沫及其制备。

发明背景

能量存储，例如超级电容器，对于提高能源效率很重要。先前的研究表明，纳米碳泡沫是构建超级电容器电极的合适材料。然而，现有的制备纳米碳泡沫的方法不适合工业生产。

例如，基于化学溶液的方法需要大量的预处理和后处理步骤。因此，这些方法不仅费时费钱，而且还会产生化学废物。此外，由于使用化学试剂和表面活性剂，这些方法产生含有杂质的纳米碳泡沫。

又如，美国专利申请公开号US 2017/0297923 A1报道了一种由类洋葱中空碳纳米颗粒热压制备纳米碳泡沫的方法。这种热压方法不需要化学试剂和表面活性剂。然而，由此产生的纳米碳泡沫具有低机械稳定性和不一致的泡沫密度。

因此，需要适用于工业规模生产具有改进的结构和机械性能的纳米碳泡沫的新方法。

发明内容

一方面，本发明涉及一种含有一种熔融洋葱状碳的纳米颗粒(“OLC”)的整体式碳泡沫，具有互连的孔，具有200m²/cc-600m²/cc的体积微孔表面积(优选地，200m²/cc-500m²/cc)，具有20s/cm-140s/cm(优选地，40s/cm-75s/cm)的电导率。在一个实施例中，该泡沫具有1Gpa-4 GPa(优选1Gpa-3 GPa)的杨氏模量。在另一个实施例中，该泡沫还包含非OLC基材料(优选包括活性炭)、半导体材料、氧化物材料或金属的材料；该材料的具体实例包括硅、氧化钼和二硫化钼。该材料可以是纤维、管、空心球、线、片或粉末形式。本发明还包括将上述整体式碳泡沫粉碎制成的泡沫粉末。

上述整体式碳颗粒可以通过以下步骤制备(i)压实OLC纳米颗粒，(ii)将压实的OLC纳米颗粒置于真空或充满惰性气体(如N₂和Ar)的空间中，(iii)在30MPa-1000MPa(优选40MPa-300MPa)和300℃-800℃(优选400℃-600℃)温度下，放电等离子体烧结OLC纳米颗粒)持续2s至30min。在一个实施例中，OLC纳米颗粒用纤维、管、空心球、线、片或粉末形式的材料压实，该材料为非OLC基材料、氧化物材料、金属和半导体材料。除该方法外，由此制备的整体式碳泡沫也在本发明的范围内。

另一方面，本发明涉及一种分形碳泡沫。分形碳化泡沫是通过如下步骤制备的(i)将上述整体式碳泡沫粉碎成整体式碳泡沫粉末，(ii)压实整体式碳泡沫粉末，(iii)将压实的整体式碳泡沫粉末放置在真空中，(iv)在30MPa-1000 MPa(优选地，40MPa-200 MPa)和300℃-800℃(优选地，600℃-800℃)的温度下，放电等离子体烧结2s-30min(优选地，2s-10min)形成分碳化沫。该方法也在本发明的范围内。

本文还公开了用于包含由上述整体式或分形碳泡沫制成的活性材料的超级电容器的电极和包括这种电极的超级电容器。更具体地，本发明的超级电容器包括(i)均由上述整体式或分形碳泡沫形成的负电极和正电极，(ii)设置在负电极和正电极之间以防止直接接触而短路，以及(iii)离子连接电极的电解质，其中每个电极的内表面与电解质接触，每个电极的外表面被集流器覆盖。