[发明专利]一种具有多孔结构的纳米碳材料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种具有多孔结构的纳米碳材料的制备方法，属于锂离子电容器技术领域。本发明的一种具有多孔结构的纳米碳材料的制备方法以丁烷四羧酸和乙酰丙酮锌为前驱体，乙二醇作为溶剂，通过共沉淀法合成出碳前驱体，通过将其高温碳化，并使用盐酸洗涤及后续干燥处理，得到高孔体积的大比表纳米碳。本发明的纳米碳材料具有特殊的分层结构，其合理的孔径分布有利于电解质离子的扩散和存储，使得材料具有高的电导率。本发明制备流程简洁，操作简便，表征方便。可将该多孔结构的碳制备成电极片，组装成CR2032锂离子纽扣电容器进行电化学性能测试，其作为锂离子电容器正极材料具有良好的循环稳定性和较高的比容量。

技术领域

本发明属于锂离子电容器技术领域，具体涉及一种具有多孔结构的纳米碳材料的制备方法及其应用。

背景技术

锂离子电容器作为一种新兴的储能设备，其结合了高功率型的电容器和高能量密度的电池的特点。与常规电化学设备相对比，它们具有出色的能量存储能力，因此可以被视为替代能量存储系统的有力竞争者。此外，锂离子电容器还具有极高的稳定循环寿命，低维护成本并且使用安全。然而，作为锂离子电容器正极的商业活性碳，由于其内部孔分布的不合理性，导致其具有极低的比容量，仅表现为30-40mAh/g，这大大限制了锂离子电容器的容量。因此，研发出高比容量高和良好循环稳定性的锂离子电容器正极碳材料成为该领域的关键技术难点。

根据电容器储存能量的机理，其孔体积及孔径分布是决定其比容量的关键。根据相关研究当微孔孔径与电解质离子半径相匹配时，电容器可以获得更大的电容值。此外，介孔结构可以为离子的传递提供小的阻力通道，有利于离子的迁移率，大孔则降低了离子的传递距离。因此，制备合成出一种具有多的孔体积和合理孔径分布的碳材料是极为重要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的现有锂离子电容器正极材料存在比容量低以及循环稳定性差的问题，提供一种具有多孔结构的纳米碳材料的制备方法，并将其作为锂离子电容器正极材料应用于锂离子电容器，具有多孔结构的纳米碳材料具有合理的孔径分布，其中微孔通过提高材料的比表面积来增加比容量，介孔结构可以为离子的传递提供小的阻力通道，大孔则降低了离子的传递距离，从而实现高的比容量与循环性能。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种具有多孔结构的纳米碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取1.5g丁烷四羧酸和3.6g乙酰丙酮锌溶于200ml乙二醇中，搅拌后得到混合液；

(2)将所述混合液在80摄氏度下油浴搅拌24小时后，依次进行浸洗处理和过滤处理后，得到碳前驱体；

(3)将所述碳前驱体放置于水平管式炉中，在持续通入惰性气体的条件下，进行碳化处理，随后自然冷却至室温，得到碳化产物；

(4)对所述碳化产物依次进行浸洗处理、清洗处理和过滤处理后得到酸洗产物；

(5)对所述酸洗产物进行干燥处理，得到所述具有多孔结构的纳米碳材料。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，所述步骤(2)中的浸洗处理具体为依次利用去离子水和无水乙醇进行浸洗。

进一步的，所述惰性气体为氩气。

进一步的，所述碳化处理具体为从室温升至800摄氏度，并保温4小时。

进一步的，所述碳化处理中，升温速率为5摄氏度/分钟。

进一步的，所述步骤(4)中的浸洗处理具体为利用20％浓度的盐酸溶液进行浸洗，所述清洗处理具体为利用去离子水清洗5次。

进一步的，所述干燥处理具体为将所述酸洗产物放入75摄氏度的真空干燥箱烘干24小时。